基于基于STM32的便携式线阵的便携式线阵CCD测量系统设计测量系统设计
为了提高电荷耦合器件(CCD)一维尺度非接触测量系统的集成性和便携程度,设计了以STM32为核心的测量
系统。使用3.7 V锂电池供电,用STM32产生线阵CCD驱动信号,内嵌边缘检测算法并设计了LCD液晶触摸屏操
作界面,实现了一款高精度便携式非接触测量仪。系统功能完整、操作方便、可靠性高。
刘珍珍,汪涛,郑雪丽
(重庆大学 物理学院,重庆 401331)
摘要摘要:为了提高电荷耦合器件(CCD)一维尺度非接触测量系统的集成性和便携程度,设计了以
关键词 关键词:线阵CCD;STM32;LCD液晶触摸屏;边缘检测
0引言引言
电荷耦合器件CCD(ChargeCoupled Device)[1]自上世纪60年代诞生以来,由于其具有精度高、功耗低、尺寸小、
寿命长等优点,被广泛地应用于自动测量、图像获取等方面。随着CCD应用市场的扩大,CCD测量系统的实现方法也曾出不
穷。现有的CCD测量系统多采用单片机或FPGA驱动,用串口或USB进行数据传输,用电脑上位机完成数据的处理和显示,供
电方式则多采用5 V电压转换器或USB供电。这样的设计使得CCD测量系统的使用灵活程度、便携性、实时性都受到限制。
为解决以上问题,设计了一款基于STM32便携式线阵CCD测量系统。系统驱动方式采用ARM驱动,选用意法半导体公司
的STM32F103作为主控芯片完成驱动信号的生成和控制功能。采用中值滤波和基于梯度算子的直线拟合边缘提取算法[2]
处理数据,设计了LCD触摸屏操作界面实时显示数据波形和测量结果。供电方式采用3.7 V锂电池供电,并设计了USB充电电
路。如此设计克服了现有CCD测量系统开发成本高、连线复杂、便携性差等问题。
1系统结构系统结构
系统主要由ARM处理器、电平转换、线阵CCD、A/D转换、LCD液晶触摸显示及SD存储卡等部分组成。
系统工作过程如下:ARM处理器产生驱动脉冲,通过电平转换之后驱动线阵CCD工作,线阵CCD的光敏单元受光的激发
产生电信号,并在驱动脉冲的作用下输出离散的模拟信号,此信号经过0.1 μF的隔直耦合电容后传入A/D转换电路,A/D转换
后的数字信号经过ARM内部的DMA快速数据传输通道送入片内RAM。在接收完一帧CCD数据之后,对数据进行计算,并通过
LCD液晶屏显示信号波形和测量结果。通过LCD触摸屏按键可以选择性地保存原始数据和屏幕截图到SD卡。系统框架如图1所
示。
2系统硬件组成系统硬件组成
2.1电源模块电源模块
本系统选用的电池为单节3.7 V锂电池,电池容量6 000 mWh。该电池电量在5%以上时电压范围3.45 V~4.2 V。根据系统
需求设计了3.3 V降压电路和5 V、12 V升压电路。芯片选型和电路设计中主要考虑了输入电压范围、电源转换效率、输出功
率、静态电流、电路复杂程度和成本等问题。
2.2控制模块控制模块
系统主控芯片选用STM32F103ZET6,其为意法半导体公司推出的一款基于Cortex-M3内核的32位微处理器。该处理器最
大时钟频率可达到72 MHz,具有64 KB静态RAM,516 KB闪存,完全满足系统对实时性以及存储空间的要求。具备3个SPI通
信接口和FSMC灵活的静态存储器管理系统,方便对SD卡和LCD屏幕的操作。 带有2个高级定时器和6个通用定时器,为CCD
驱动和AD驱动时序的设计提供了支持,有112个GPIO口,可根据需求对引脚的功能进行复用,方便对系统进行扩展。
2.3信号采集和信号采集和A/D转换模块转换模块
本设计选用的线阵CCD传感器为东芝公司生产的TCD1209,这款CCD灵敏度高、暗信号电压小、动态范围比较大,适用
于测量系统。它有2 048个有效像元,像元尺寸为14 μm×14 μm,光敏区总长度为28.4 mm。 TCD1209工作需要6路5 V电平
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