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摘 要： 设计了一种基于ARM微处理器LPC2214与线阵CCD的在线动态测径仪，该测径仪采用FPGA实现对线阵CCD时序脉冲的驱动；以ARM微处理器为测径仪的核心，实现图像信息的处理和对整个系统的控制，保证动态、实时、准确的测量线缆直径。介绍了该仪器的基本原理，详细给出了系统硬件方案和软件流程。
关键词： 测径仪； 线阵CCD； ARM； FPGA
近几年来，电线、电缆、光纤等产品的需求量大大增加，外径尺寸的质量控制成为许多生产厂家急需解决的问题。传统的测试手段有以下几种：(1)手工测量法：采取先加工后测量的方法，精度一般，人为因素多，劳动强度大，信息反馈慢，直接影响了线材的质量和生产效益。(2)接触法测量：精度较高，但易磨损，重复测量精度差。(3)光电二极管阵列测量法：速度快，易处理，但精度差。因此，必须有一套高精度的实时在线检测系统，一方面可使生产人员及时了解线径的大小及偏差，另一方面给生产机构伺服系统提供正比于偏差的反馈量，实现反馈控制。以线阵CCD高精度传感器为核心组成的动态外径测量仪器具有速度快、精度高、抗干扰能力强等优点[1]，成为最为理想的工业在线检测手段之一。
1 CCD测径原理
电荷耦合器件CCD（Charge-coupled Devices）是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术，成为现代光电子学与测试技术中最受关注的研究热点之一。
线阵CCD测量直径系统的原理图如图1所示。图中，1为光源；2为透镜，作用是汇聚光能；3是一片毛玻璃，其作用是尽可能使光能够均匀分布；4为被测线缆；5就是要在其上成像的线阵CCD传感器。线缆直径测量的原理如下：经光源1发出的光通过一系列透镜2后校正为近似的平行光。当光由毛玻璃片3透过线缆后通过成像物镜在线阵CCD的光敏面上成像，最后经CCD的输出电路将电荷转化成电压量输出。
CCD输出的是视频脉冲信号，其中每一个离散信号对应着CCD上的一个光敏单元的输出。同时CCD视频信号需要经过处理电路转化为标准信号，以便进一步对其处理。当测量线缆直径时，由于线缆的遮挡部分没有光透过，所以线缆的直径与光敏单元总长度减去透过缝隙光敏单元长度成正比关系，根据成像物镜放大(缩小)的倍数可以测得线缆的直径尺寸。
被测线缆直径的尺寸计算公式为：
D=(L-hn)/β (1)
式中L是CCD有效测量光敏单元总长度，h是光敏单元的脉冲间距，n为透过缝隙的光敏单元个数, β则为成像物镜的放大倍数。
因此，只要测出n，就可以计算出被测线缆的直径。
2系统硬件设计
测量线缆直径的硬件结构框图如图2所示。选用NXP公司生产的嵌入式微处理器LPC2214作为控制器，可以满足线缆生产行业对线缆直径实时性、高速性和精确性的测量和控制，同时具有高性能、低功耗、价格低廉的特点，片内资源丰富，具有极高的集成度，支持工业级应用。
由于CCD光电传感器的转换效率、信噪比等光电特性只有在合适的时序驱动下才能达到设计所规定的最佳值，输出稳定可靠的信号，因此系统中采用FPGA芯片（选用Actel 公司的A3P030）进行CCD驱动电路的设计。 |
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