彩色线阵CCD实验指导手册

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1、彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV实 验 指 导 手 册天津市耀辉光电技术有限公司目 录产品说明书2设备初始化6软件使用说明8实验规则及注意事项11实验一 线阵CCD原理及驱动12实验二 线阵CCD特性测量实验15实验三 线阵CCD输出信号的二值化17实验四 线阵CCD的A/D数据采集21实验五 软件提取边缘信号的二值化处理24实验六 利用线阵CCD进行物体角度的测量27实验七 用线阵CCD测量物体尺寸29实验八 利用彩色线阵CCD进行振动测量31实验九 利用彩色线阵CCD进行颜色识别33实验十 利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验34附录 TCD2252D手册35产品说明书首先感谢您选

2、用本公司的彩色线阵CCD多功能实验仪。本公司的实验仪产品是根据多年从事CCD技术应用经验的基础之上独立研制开发的教学实验仪器。YHLCCDIV型是在原有III型基础之上，根据广大用户使用意见反馈、进一步改善功能、添加最新实验内容研制而成的。本实验仪可满足高校物理专业、光电专业的“CCD应用技术”、“图像传感器应用技术”课程的全套线阵CCD应用实验教学工作。11一、 仪器各部件介绍67981021345141312标号名称及功能标号名称及功能1电源开关9积分时间设置按钮（十位加1）2二值化阈值电平调节按钮（加1）10积分时间设置按钮（个位加1）3二值化阈值电平调节按钮（减1）11驱动频率设置按钮

3、（循环加1）4硬件二值化开关12仪器显示面板5振动装置电机开关13顶盖（可拿下）6计算机并口连接端口14测量端子7积分时间设置按钮（个位减1）15测量用接线柱（未显示）8积分时间设置按钮（十位减1）16220V电源接入口（未显示）二、 各部分操作基本说明1、 电源开关：确认将电源连线（插口位于仪器后面）连接至交流220V电源后，拨动此开关，本开关电源指示灯应点亮。说明电源已经接通，实验仪可以开始工作了。2、 驱动频率设置按钮：调节驱动频率，显示数字为“0”“3”循环，“0”表示1MHz驱动频率，“1”表示500KHz，“2”表示250KHz，“3”表示125KHz驱动频率。3、 积分时间设置按

4、钮（共4个）：用于控制本实验仪积分时间，显示“00”“31”共32档积分时间，通过改变驱动频率，可以扩展积分时间设定范围。设定的积分时间与当前的驱动频率有关，例如，在“0”档驱动频率下每改变一档积分时间，其积分时间仅改变0.256ms，而在“1”档驱动频率下每改变一档积分时间，其积分时间将改变0.512ms。4、 二值化阈值电平调节按钮（共2个）：用于调节本实验仪阈值电平，每按一次，阈值电平改变0.02V。仪器显示面板显示为当前的阈值电平电压值。延时约3秒钟后，自动恢复为显示积分时间和驱动频率。5、 计算机连接端口：通过随机的电缆将此端口与计算机并口（打印接口）相连接。6、 测试端子：供示波器

5、测量用，包括CCD所有驱动信号和二值化实验测量信号。7、 顶部盖板：打开后可以看到内部镜头和光源，调节镜头光圈和对焦(如下图1、2)必须打开顶部盖板。8、 片夹：本实验仪共提供9个测量片夹，其中6个有“A”“F”编号，1个三色片夹（RGB三色），1个用于图像扫描片夹以及1个空白片夹。片夹在打开仪器顶部盖板后插入光源前面的片夹夹具内(如下图3、4)，空白片夹用于自行设计实验内容。图3 插入片夹图4 拔出片夹图1 物镜光圈的调整图2 调整焦距三、 实验仪的基本测试您收到实验仪产品后可按下列步骤进行测试与验收：1、将实验仪电源线插入实验仪后部电源插座，与实验室220V交流电源连接好。确认主电 源开关

6、断开状态。将示波器地线与实验仪测量接线柱地线连接好。2、 电源开关，开关指示灯点亮表示电源正常，观察仪器显示面板，接通电源后面板会闪烁表示正在初始化，稳定后显示“00 0”表示开机正常。3、 示波器观察测量接线柱的下述信号：F1、F2、SH、CP、RS、SP和FC，对照实验指导手册附录一中TCD2252D波形检测各信号是否正常。4、 波器设定为CH1同步，用CH1表笔测量FC信号，用CH2测量UR信号。打开仪器顶部盖板，将镜头光圈从闭合调节至最大状态，UR信号应该从最小逐渐升高直至饱和，如果光圈最大仍然没有饱和，请降低驱动频率或延长积分时间，如果不能饱和，请与本公司联系。UG、UB信号也同样测

7、试。（饱和状态识别：UR、UG、UB信号上升到一定程度不再上升，基本是一条水平线，幅度在5V左右。正常工作时，应该让CCD信号最强部分接近饱和。）5、 击频率设定按钮，改变驱动频率。用示波器测量仪器测量接线柱上的SP信号，SP信号的频率应该从1MHz逐档改变至125KHz。6、 点击积分时间设定按钮，改变积分时间，用示波器测量仪器测量接线柱上的FC信号，FC信号周期应该再“031”档间逐档延长。这时观测CCD模拟输出信号（UR、UG、UB）应该是逐渐升高的（饱和以后不再升高）。7、 调节驱动频率至“0”档，用示波器CH1表笔测量FC信号，同步稳定后调节显示至少一个信号周期，用CH2测量UR信号

8、，打开仪器面板，插入测量片夹B，逐步增加积分时间，观察信号变化情况，使信号亮部分提升到4V左右（如果积分时间增加至“31”仍无法达到4V则调节驱动频率至“1”后重复上述调节过程）。8、 调节镜头调焦旋钮，直至信号边缘锐度最高（信号边缘接近垂直状态）。盖上仪器盖板，适度增加积分时间，使得信号的亮部分高于4V。 9、 CH2测量TO测量接线柱，调节阈值按钮，观察其电平是否变化，最后调节至2V左右。此时测量BO二值化输出接线柱，应观察到二值化TTL信号。仪器面板显示的电压值是根据电位器调整量的计算值，不是实测值。与实际电压值有一定的误差，但是不影响测量。10、 按下二值化开关，面板显示测量信号宽度的

9、像素个数，显示结果范围在“100”“2500”之间并在小范围内变化（不超过20）。如果面板显示闪烁“8888”表示上述调节不当，应重复79步骤调节。如果上述测试某些步骤无法达到测试要求，请关闭电源并联系我们的技术服务人员。四、 软件及各功能测试1、 确认关闭实验仪主电源，在计算机关机状态下，将数据电缆一端连接至实验仪数据端口，另一端连接至计算机并行接口。2、 打开计算机电源，开机后进入主板BIOS设置窗口（开机自检后按DEL键）。将计算机并行接口模式设置为EPP模式以及打印端口I/O为“378”。（大多数主板此设置位于I/O设置菜单下或者系统集成设置菜单下，详情请参考第六项。）3、 开机进入W

10、in98或者Win2000操作系统，按照软件光盘中相关步骤安装软件和驱动（需要重新启动计算机）。调节计算机屏幕分辨率为1024768。4、 打开实验仪电源，确认二值化开关处于弹出状态，按照实验指导手册各部分说明逐步测试软件功能。五、 部分问题的解决方法1、 仪器的积分时间和驱动频率设置按钮失灵： 请关闭实验仪主电源后再开启，如果还存在上述问题，请联系我们的技术服务人员。2、 按下二值化开关，显示面板闪烁“8888”： 关闭二值化开关，稍等片刻（约510秒）后仪器面板应返回正常显示状态，按照第“三”部分“实验仪基本测试”各步骤调节信号后再次按下该按钮，如果仍然维持上述显示则请致电我们的技术服务人

11、员。3、 运行计算机软件后偶尔死机：关闭实验仪主电源后再打开，软件应继续正常运行，否则请致电我们的技术服务人员。六、 计算机并口功能设置参考本实验仪要求计算机主板支持EPP并行接口模式（增强型并行接口），该模式需要在计算机主板BIOS中手工设置，参考设置步骤如下：1、 开机自检后按DEL键进入主板BIOS设置（部分主板进入方法有不同，请参考计算机主板说明书）。2、 并行端口设置通常位于BIOS设置的Intergraded Peripherals菜单或者I/O Setup菜单下，如果您不能确认，请查询主板说明书或者致电咨询。3、 将Onboard Parallel Port设置为378/IRQ7

12、，Onboard Parallel Mode设置为EPP，某些主板显示为Enhanced或者其它，另外一些主板EPP模式有1.7和1.9供选择，任选其一即可。4、 完成后保存退出。七、 调整注意事项打开实验仪顶盖，右侧是光源和测量片夹支架，左侧是CCD和光学镜头。左侧的固定架顶端有两个铜制的旋钮，镜头一侧的用于固定镜头接圈，实验仪出厂时已经调整好并已紧固。请勿动。另一个用于固定CCD，在做振动实验时，需要调整CCD方向，方法是先旋松该旋钮，转动CCD固定环90，使CCD方向垂直（铜旋钮对准红色标志点），然后再旋紧该旋钮。做其他实验时，CCD方向水平（铜旋钮对准银色标志点）。调整方法是反向旋转9

13、0。注意调整时旋钮松动即可，不可旋出。设备初始化目的从第四个实验“线阵CCD的A/D数据采集”开始，所有实验都将结合实验软件进行CCD的应用实验。为使实验结果更加准确，在进行实验之前，需要对实验仪进行调整，包括饱和度调整、焦距调整（目的是提高信号清晰度，使结果测量更加准确），然后测定光学系统的放大倍率，并将其保存在系统中。在其后的实验中，都将调用初始化时确定的放大倍率。程序界面（如图1）图2采集程序的坐标界面图1采集程序主界面操作实验设备初始化的顺序为：“确定饱和值” “计算后端放大倍率” “计算前端放大倍率” “保存参数”。确定饱和值1） 打开实验仪电源开关，将镜头对准空的片夹夹具。2） 调

14、节实验仪积分时间，驱动频率均为“0”，拿去实验仪测量范围内的所有被测物。3） 在程序界面中选择“开始”按钮（图3）。 图5进行下一步操作图4输出饱和提示图3采集“开始”4） 逐步增大镜头光圈（如果光圈至最大仍不饱和可增加积分时间），使之达到饱和状态后停调节。此时软件界面上“数据显示”栏中的“饱和状态”下显示信号达到饱和状态（如图4）。5） 点击“下一步”按钮（如图5）。 计算后端放大倍率1） 打开实验仪顶盖在后端片夹夹具中放置初始化调节专用片夹F。2） 片夹的正确放置方法：从镜头方向看过去，片夹的标号（如此实验用的F片夹）在左上角。3） 调节镜头光圈和积分时间按钮，使波形最高点在红线和蓝线范围

15、内（如图6）。同时观察右下角的饱和度状态（如图7）。保证信号最高点在最接近饱和而不饱和的状态。具体方法可以先缩小镜头光圈，然后用降低积分时间的方法微调。调整镜头的焦距，使输出信号曲线的边沿尽量垂直（如图6），同时观察右下角垂直度指示（如图8），当垂直度达到最大值时停止调节（垂直度就是曲线竖边与坐标X轴所成锐角角度与90度的比值）。* 调节镜头焦距如果没有满意结果时可以松开镜头上边的黄色螺钉，调整镜头与被测物间距。调整的规则为先调节焦距适中，然后旋紧或旋松镜头，当曲线边沿最接近垂直时停止并旋紧黄色螺钉，再调节镜头焦距，使曲线边沿垂直。设备出厂时，镜头位置已调整到最佳，如非必要，请勿做此调节。图9

16、光学放大倍率输入界面图8信号垂直度界面图7 饱和度界面 图6波形显示界面4） 观察输出信号，保证信号清晰且未饱和后点击“计算放大倍率”按钮（如图9），并最终计算出后端放大倍率值。5） 点击“下一步”按钮，在弹出的提示框中选择“确定”（如图10）。 图11保存设置参数图10确定界面计算前端放大倍率（主要为振动及扫描实验提供参数）1） 打开实验仪顶盖在前端片夹夹具中放置初始化调节专用片夹F（关闭实验仪振动开关）。2） 仿照计算后端放大倍率的3-5步，确定前端放大倍率。保存参数点击“保存参数”按钮，在弹出的提示框中选择“确定”（如图9）。关闭设备初始化程序。初始化的意义通过对设备的初始化来测量系统的

17、放大倍率，确定系统的饱和值。系统的放大倍率是在其他测量实验中所必须用到的重要的参数，有了它才能计算出被测物的实际尺寸。同样确定系统的饱和值也是为其他试验做准备，它可以在测量时提示信号是否饱和，从而提高测量精度和达到较好的实验效果。软件使用说明目的本手册从第四章开始将结合实验软件进行CCD的功能演示实验。各实验软件界面大致相同。本节就对实验软件的各菜单、按钮功能做一综述。程序界面（如图1）图1采集主程序界面程序菜单各选项与下面的快捷图标一一对应。分别为打开文件、保存、数据采集方式、数据显示方式、采集间隔、版本信息键。软件界面的下方一般有阈值调节框、测量条件框、测量进度框、以及放大倍率框计算框。分

18、别完成对应功能。在最下方的状态指示条上有软件状态指示（图中为“就绪”）、信号饱和状态指示、信号垂直度指示。参照这些状态指示，完成实验中镜头的调节工作。软件功能介绍文件（如图2图3）打开：打开数据文件。保存：以当前的文件名，将当前的数据按固定格式进行保存。图2文件菜单图3保存设置 数据采集“数据采集”包括“单次采集”、“连续采集”和“多次平均测量”三种方式（如图4、图5）。图4单次采集与连续采集设置图5采集行数设置1、单次采集1） 每按一次“单次”按钮只执行一次数据采集。2） 在“数据采集”菜单中，选择“单次采集”一项；或直接从工具条上选择“单次”的按钮。2、连续采集1） 按下“连续”进行连续采

19、集，在此期间，程序的其它功能将被屏蔽，直到按下“停止”按钮。2） 在“数据采集”菜单中，选择“连续采集”一项；或直接从工具条上选择“连续”按钮。3、多次平均测量1） 先设置采集次数，然后按下“平均”按钮。界面下部的进度条将显示采集进度（如图6）。按下停止按钮可以终止采集，否则一直完成采集次数后自动停止。2） 在工具条上选择“平均”按钮。图6多次采集取平均值设置“设置”包括“数据显示方式”和“连续采集间隔”。1、“数据显示方式”包括“收缩图形方式”、“展开图形方式”和“数据列表方式”（如图7、图8）。图8采集数据列表显示图7数据展开方式选择 1）收缩图形方式以曲线图的形式显示所采集到的数据。图形

20、按一定比例收缩后，使之可以显示在一个屏幕内（如图9）。 图9波形图的收缩图形方式显示图10波形图的展开图方式显示2）展开图方式以曲线图的形式显示所采集到的数据。图形不按任何比例收缩，逐点显示，所以不能全部显示在一个屏幕内，需滚动曲线图下方的滚动轴察看被遮挡的部分（如图10）。3）数据列表方式以数据列表的形式显示所采集到的数据。由于数据不能全部显示在一个屏幕内，所以需要滚动数据列表右侧的滚动轴察看被遮挡的部分（如图11）。图11数据显示方式2、选择“连续采集”中每两次采集间的时间间隔。在“设置”菜单中，选择“连续采集间隔”下的某一项；或直接从工具条上选择某个的图标（如图12、图13）。 图13连

21、续采集间隔设置图12连续采集间隔设置帮助“帮助”选项可以查看版本信息。在“帮助”菜单中，选择“关于”一项；或直接从工具条上选择“关于”的图标。（如图14、图15） 图15“关于”选择图14“帮助”菜单实验规则及注意事项为了确保线阵CCD应用技术实验的顺利进行，保障人身安全，避免设备损坏，并且达到实验目的，要求实验人员必须严格遵守下述实验规则及注意事项，在指导教师的指导下有秩序、按步骤的进行。1、 在实验之前，实验人员必须阅读本实验指导书中所要求的实验准备内容，并阅读必要的参考资料。明确实验目的，了解实验内容的详细步骤，达到要求后方能进行实验。2、 实验进行过程中，必须严格按照指导教师制定的步骤

22、进行实验，不得自行随意进行，否则可能会损坏实验仪，造成严重后果。3、 要爱护实验仪器和示波器、计算机等实验设备，不允许将其它不相关的仪器在未经许可的情况下与实验仪进行连接。4、 所有与本实验仪相关的线缆如电源线、示波器地线、计算机并行接口数据连接线等必须在断电的情况下连接良好，严禁带电插拔所有线缆。5、 实验时应集中精力，认真实验；遇到问题时，应找指导教师解决；不许自作主张。6、 所有实验设备应当在确定所有地线良好连接后方可开机上电。7、 一旦发生意外事故或者实验出现异常现象时，应当立即切断实验设备电源，并如实向指导教师汇报情况。故障排除之后方可继续实验。8、 使用彩色线阵CCD多功能实验仪之

23、前，应仔细阅读本手册的“设备初始化”和“软件使用说明”。所有需要利用测量片夹的实验，安放测量片夹时应注意安放方向和位置：从CCD方向观看，测量片夹上的字母应正向向上；做“利用彩色线阵CCD进行振动测量实验”和“利用彩色线阵CCD进行图像扫描实验”实验时，测量片夹应安放在远离光源的片夹夹具，其它实验，应安放在靠近光源的片夹夹具上。空白片夹用于自行设计实验内容。实验一 线阵CCD原理及驱动一、实验目的1、 掌握本实验仪的基本操作和功能。2、 掌握用双踪迹示波器观测二相线阵CCD驱动脉冲的频率、幅度、周期和各路驱动脉冲之间的相位关系等的测量方法。3、 线阵CCD驱动脉冲的时序和相位关系观测，掌握二相

24、线阵CCD的基本工作原理，尤其是复位脉冲CCD输出电路中的的作用；转移脉冲与驱动脉冲间的相位关系，掌握电荷转移的过程。二、实验前准备内容1、 学习线阵CCD的基本工作原理（参考有关教材），阅读双踪迹示波器的使用说明书。2、 学习TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）。3、 掌握双踪迹示波器的基本操作。4、 根据线阵CCD的基本工作原理，观测转移脉冲SH与F1（CR1）、F2（CR2）的相位关系，理解线阵CCD的并行转移过程。观测F1与F2及F1与CP、SP、RS间的相位关系，理解线阵CCD的串行传输过程和复位脉冲RS的作用。5、 测量驱动频率的不同调整档下的F1与F2、F1、RS的

25、周期与频率以及CCD行（FC）周期为以下实验做准备。三、实验所需仪器设备 1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。（2） 打开示波器电源。（3） 打开YHLCCDIV的电源开关，观察仪器面板显示窗口，数字闪烁表示仪器初始化，闪烁结束后显示为“00 0”字样，前两位表示积分时间档次值，共分为32档，显示数值范围由“00”“31” ，数值越大表示积分时间越长。末位表示CCD的驱动频率，分4档，显示数值范

26、围“0”“3”，数值越大表示驱动频率越低。2驱动脉冲相位的测量（1） 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。对照“附录”中TCD2252D的驱动波形进行下面的实验。（2） 用CH1探头测量转移脉冲SH，仔细调节使之稳定（同步），使SH脉冲宽度适当以便于观察。（将示波器的扫描频率调至2ms档左右，便于观察对照）用CH2探头分别观测驱动脉冲F1与F2，这就是SH与F1、F2的相位关系。（3） 用CH1探头测量F1信号， CH2探头分别测量F2、RS、CP、SP信号，这就是F1与F2、RS、CP、SP信号之间的相位关系。（4） 用CH1探头测量CP信号，CH2探头分别测量RS

27、、SP，这就是CP与RS、SP信号之间的相位关系。（5） 将以上所测的相位关系与“附录”所示TCD2252D的驱动波形相对照。3驱动频率和积分时间测量（1） 用示波器分别测量4档驱动频率下F1、F2、RS信号的周期，并计算信号频率填入表1-1。表1-1 驱动频率与周期驱动频率项目F1F2RS0档周期（s）频率（KHz）1档周期（s）频率（KHz）2档周期（s）频率（KHz）3档周期（s）频率（KHz）（2） 将实验仪的频率设置恢复为“0”档，同时确认积分时间设置为“00”档。用CH1做观测FC信号的同步（示波器扫描频率调至2ms左右，便于观察），用CH2测量SH信号，观察两者的周期是否相同，记

28、录FC信号周期。通过实验仪面板上的积分时间和驱动频率的调整按钮进行调节，并将不同驱动频率档和积分时间档次下的FC周期填入下表1-2中。表1-2只列出16档，其余档次可以自行添加测量。表1-2 积分时间的测量驱动频率0档驱动频率1档驱动频率2档驱动频率3档积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）积分时间（档）FC周期（ms）00000000010101010202020203030303040404040505050506060606070707070808080809090909101010101111111112121212 13131313

29、14141414151515154CCD输出信号的测量（1） 将实验仪积分时间设置恢复为“00”档，驱动频率设置在“0”档。（2） 用示波器CH1探头测量FC信号，调节示波器显示至少2个FC周期； CH2 探头测量实验仪的UG输出端子，打开实验仪顶部盖板，调节镜头光圈。观察UG输出是否有变化，如没有任何变化，请通知实验指导教师调整。（3） 步缩小镜头光圈，观测UG的波形变化，当UG的输出在小于3V时停止调整镜头光圈，盖上仪器盖板。（4） 保持CH1探头不变，增加积分时间，用CH2探头分别测量UG、UR和UB信号，观测这三个信号在积分时间改变时的信号变化。（5） 调节示波器扫描速度，展开SH信号

30、，观测SH波形和CCD输出波形之间的相位关系。（6） 重复上述步骤观测FC波形和CCD输出波形之间的相位关系。（7） 打开实验仪上盖板，将测量片夹B插入到后端片夹夹具中，适当开大镜头光圈，通过示波器观测CCD输出波形的变化。表1-2 积分时间的测量5关机结束（1） 关闭实验仪。（2） 关闭示波器。（3） 关闭电源。五、实验总结1、 写出实验总结报告，注意说明TCD2252D的基本工作原理。2、 说明RS脉冲、SP脉冲和CP脉冲的作用，输出信号与F1、F2周期的关系。3、 解释为何在同样的光源亮度下会出现UR、UG、UB信号的幅度差异。实验二 线阵CCD特性测量实验一、实验目的通过对典型线阵CC

31、D在不同驱动频率和不同积分时间下的输出信号测量，进一步掌握线阵CCD的有关特性，加深对积分时间的意义的掌握，以及驱动频率和积分时间对CCD输出信号的影响。理解线阵CCD器件的“溢出”效应。二、实验准备内容1、 学习掌握线阵CCD的基本工作原理（参考相关教科书）。2、 学习掌握TCD2252D线阵CCD基本工作原理（参考附录）。3、 通过对典型线阵CCD的输出信号和驱动脉冲相位关系的测量，掌握线阵CCD的基本特性。特别注意对积分时间、驱动频率、输出信号幅度等的测量结果的分析。找出积分时间、驱动频率、输出信号幅度间的关系，FC脉冲与输出信号的相位关系，说明FC脉冲的作用。三、实验所需仪器设备1、

32、双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。四、实验内容及步骤1实验预备（1） 首先将示波器地线与多功能实验仪上的地线连接良好，并确认示波器和多功能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。（2） 打开示波器电源开关。（3） 打开YHLCCDIV的电源开关，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形，并与“附录”中所示波形对比。如果与附图3所示的波形相符，相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。2驱动频率变化对CCD输出波形影响的测量（1） 将示波器CH1和CH2扫描线调整至适当位置，同步设置为CH1。（2） 将实

33、验仪驱动频率设置为“0”档。（3） CH1探头测量FC脉冲，仔细调节使之同步稳定，调节示波器使示波器显示至少2个FC周期，CH2探头测量Uo(泛指UR、UG、UB)信号。（4） 调节镜头光圈，使之逐渐缩小，观测Uo信号的变化，将光圈调整至UG信号刚好接近“0V”位置处停止调整光圈，将测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。（5） 保持示波器探头不动，改变驱动频率，设置为“1”档，调节示波器使FC脉冲始终保持显示至少2个周期，观测CCD输出信号的变化。（6） 续调节驱动频率至“2”档和“3”档，观测输出信号UG的变化。并做相应记录。3积分时间与输出信号测量（1） 保持实验仪其他设置不变，只将实验

34、仪驱动频率设置恢复为“0”档，并确认积分时间设置处于“00”档。（2） 用CH1探头测量FC脉冲，调节示波器使之同步稳定，并至少显示两个周期。用CH2探头测量Uo信号。（3） 调节积分时间设置按钮逐步增加积分时间，测出输出信号Uo的幅度(VH是高电平，VL是低电平)添入表2-1。表2-1添满后，以积分时间为横坐标，以输出信号Uo为纵坐标画输出特性曲线，观察CCD的输出信号与积分时间的关系，当CCD出现饱和后，积分时间与输出信号的如何？（4） 驱动频率（即调节驱动频率设置按钮，从“0”至“3”），重复上述实验，观测波形变化情况并做相应记录。（5） 写出实验报告，说明CCD输出信号与积分时间的关系

35、，并解释之。表2-1 输出信号幅度与积分时间的关系驱动频率0档输出信号Uo驱动频率1档输出信号Uo积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL）积分时间（档）FC周期（ms）输出幅度（VH）输出幅度（VL）00000202040406060808101012121414驱动频率2档输出信号Uo驱动频率3档输出信号Uo000002020404060608081010121214144关机结束（1） 关闭实验仪。（2） 关闭示波器。（3） 关闭电源。五、实验总结1、 解释为什么驱动频率对积分时间会有影响？2、 解释为什么在入射光不变的情况下积分时间的变化会对输出信号有影响？这对CC

36、D的应用有何指导意义？进一步增加积分时间以后，输出信号的宽度会变宽吗？为什么？这对CCD的应用又有何指导意义？实验三 线阵CCD输出信号的二值化一、实验目的通过本实验进一步掌握线阵CCD的输出特性，了解运用线阵CCD进行物体尺寸和位置测量的基本方法。近一步掌握CCD积分时间对物体尺寸和位置测量的影响。二、实验准备内容1. 二值化的基本工作原理 线阵CCD的输出信号包含了CCD各个像元的光强分布信号和像元位置信息，使它在物体尺寸和位置检测中显得十分重要。CCD输出信号的二值化处理常用于物体外形尺寸、物体位置、物体震动（振动）等的测量。如图3-1所示为测量物体外形尺寸（例如棒材的直径D）的原理图。

37、被测物A置于成像物镜的物方视场中，线阵CCD像敏面安装在成像物镜的最佳像面位置。均匀的背景光使被测物A通过成像物镜成像到CCD的像敏面上。在像面位置可得到黑白分明的光强分布。CCD像敏面上的光强分布载荷了被测物尺寸的信息，通过CCD及其驱动器将载有尺寸信息的像转换为如图3-1右侧所示的时序电压信号（输出波形）。根据输出波形，可以得到物体A 在像方的尺寸设光学放大倍率为，则可以用下面公式计算物体A的实际尺寸D为 （3-1）显然，只要求出，就不难测出物体A的实际尺寸D。线阵CCD的输出信号UO随光强分布的变化关系为线形的，因此，可用UO模拟光强分布。采用二值化处理方法将物体边界信息检测出来是简单便

38、捷的方法。有了物体边界信息便可以进行上述测量工作。图3-3 二值化电路2二值化处理方法的波形图3-2所示为典型CCD输出信号与二值化处理的时序图。图中FC信号为行同步脉冲，FC的上升沿对应于CCD的第一个有效像元输出信号，其下降沿为整个输出周期的结束。UG为绿色组分光的输出信号，它为经过反相放大后的输出电压信号。为了提取图3-2所示UG的信号所表征的边缘信息，采用如图3-3所示的固定阈值二值化处理电路。该电路中，电压比较器LM393的正相输入端接CCD输出信号UG，而反相器的输入端通过电位器接到可调电平（阈值电平）上，该电位器可以调整二值化的阈值电平，构成固定阈值二值化电路。经固定阈值二值化电

39、路输出的信号波形定义为TH。再进一步进行逻辑处理，便可以提取出物体边缘的位置信息N1和N2。N1与N2的差值即为被测物在CCD像面上所成的像占据的像元数目。物体A 在像方的尺寸为 （3-2）式中，N1与N2为边界位置的像元数，L0为CCD像敏单元的尺寸。因此，物体的外径应为 （3-3）3二值化处理电路原理方框图二值化处理原理图如图3-4所示，若与门的输入脉冲CRt为CCD驱动器输出的采样脉冲SP，则计数器所计的数为（N2N1），锁存器锁存的数为（N2N1），将其差值送入（N2N1）LED数码显示器，则显示出（N2N1）值。 同样，该系统适用于检测物体的位置和它的运动参数，设图3-1中物体A在物

40、面沿着光轴做垂直方向运动，根据光强分布的变化，同样可以计算出物体A的中心位置和它的运动速度、震动（振动）等。三、实验所需仪器设备1、 双踪迹同步示波器（带宽50MHz以上）一台。2、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。四、实验内容及步骤（一）实验内容1、 观测二值化处理过程中CCD的输出信号；2、 在进行二值化阈值电平调整的过程中，观察阈值电平调整的调整过程；3、 标定光学放大倍率；4、 进行被测图形尺寸的测量；5、 通过改变有关参数，观察对测量值的影响，分析影响物体尺寸测量的因素。（二）实验步骤1实验预备（1） 首先将示波器地线与实验仪上的地线连接良好，并确认示波器的电源和多功

41、能实验仪的电源插头均插入交流220V插座上。（2） 打开仪器顶部盖板，将实验用测量片夹B插入后端片夹夹具中，盖上盖板。（3） 打开示波器，将CH1探头接到FC脉冲输出端，仔细调节使之同步稳定，使示波器显示至少2个FC周期。（4） 确认YHLCCDIV实验仪的二值化开关处于弹出状态，测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路驱动脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。2光学放大倍率的标定（1） 用示波器CH2探头接UG信号输出端。调节镜头的光圈，观测输出信号波形的变化，使其处于接近饱和（非饱和）的状态。（2） 用CH2探头测量TO端子（

42、阈值电平），调节实验仪上的阈值调节按钮，使阈值为2V左右。（3） 再将CH1探头接到UG信号输出端，用UG信号同步。CH2探头接到BO端子（二值化输出TTL信号）上，调节阈值调节按钮，进行阈值的增减，观察BO的变化情况和与UG信号的关系。最后再将阈值电平恢复为2V。（4） 按下二值化测量按钮，此时仪器面板上原本显示的积分时间和驱动频率值的数值变为二值化测量值显示，所显示的数值为二值化信号所占据的CCD像元数（若仪器面板显示窗口数字闪烁则表示信号调整不当，应当退出二值化测量状态。重新调整镜头光圈、积分时间、驱动频率和二值化阈值电平），即（N2N1）值。连续记录10组数据，填入表3-1，代入计算公

43、式（3-3），计算光学放大倍率的平均值，完成光学放大倍数标定工作。表3-1 光学放大倍率的测量二值化测量值（N2N1）（阈值2V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率以上10次计算的平均光学放大倍率 。3二值化测量（1） 保持上述设置不变，打开实验仪顶部盖板，取出测量片夹B，插入测量片夹C，盖上盖板。连续记下10组数据，填入表3-2，计算出被测条纹的实际尺寸。（2） 阈值电平调整至1V，再测量一组数据，填入表3-2，再计算出被测条纹的实际尺寸。（3） 变积分时间后，再重复上述实验，观察CCD输出信号波形的变化，当CCD出现饱和状态后观测被测物尺寸的变化。表3-2 光学放大倍率的测量

44、二值化测量值（N2N1）（阈值1V）物方尺寸（mm）像方计算尺寸（mm）光学放大倍率以上10次计算的平均光学放大倍率 。4结束关机（1） 关闭实验仪。（2） 关闭示波器。（3） 关闭电源。五、实验总结1、 写出实验总结报告，解释为何两种阈值下测量结果有差异，造成这种差异的原因有几点。2、 说明固定阈值二值化测量的优缺点和适用领域。3、 积分时间的变化是否对测量值有影响？在什么时候会有影响？为什么进行尺寸测量时必须使CCD脱离饱和区？实验四 线阵CCD的A/D数据采集一、实验目的1、 掌握线阵CCD的A/D数据采集的基本原理。2、 进一步掌握线阵CCD积分时间与光照灵敏度的关系。3、 掌握本实验

45、仪配套软件的基本操作，熟悉各项设置和调整功能。4、 学会基本数据采集软件的编写和应用（选做）。二、实验准备内容1、 学习C语言进行计算机端口操作和绘图的基本功能（参考相关教科书）。2、 进一步学习和掌握线阵CCD的A/D数据采集基本原理。3、 熟悉A/D数据采集的基本操作软件。三、实验所需仪器设备1、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。2、 双踪迹示波器一台（带宽50MHz以上）。3、 实验用PC计算机及A/D数据采集基本软件。四、线阵CCD的A/D数据采集基本原理线阵CCD的A/D数据采集的种类和方法很多，这里只介绍实验仪所采用的8位并行接口方式的数据采集基本工作原理。如图4-

46、1所示为以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统。以CPLD完成地址译码器、接口控制、同步控制、存储器地址译码等逻辑功能。计算机软件通过向端口发送控制指令对CPLD复位。CPLD等待FC上升沿（对应于CCD第一个有效输出信号）触发AD开始工作，AD器件则通过SP信号完成对每个像元的同步采样，A/D转换输出的8位数字信号则存储在一个32K的静态缓存器件中（62256），当一行像元的数据转换完成后，CPLD会生成一个标志转换结束的信号，同时停止A/D转换器和SRAM存储器的工作。计算机软件在查询标志信号后，读取SRAM存储器中的数据，完成数据曲线显示等一系列功能。

47、当软件读取并处理完成一行数据后，再次发送复位指令循环上述过程。五、实验内容及步骤（一）实验内容1、 进行以8位A/D转换器件TLC5510A为核心器件构成的线阵CCD数据采集系统实验。2、 进行线阵CCD的A/D数据采集系统软件的基本操作（软件工作参数的设置、CCD工作参数的设置等）。3、 进行线阵CCD的A/D数据采集系统数据文件的存储、打开、读出等的操作。（二）实验步骤1试验预备（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机并行端口用专用数据线缆连接良好，并将计算机并行端口设置为EPP（增强型并行接口）工作模式，如果不能确定，请咨询实验指导教师。（2） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下面的操作

48、。（3） 打开YHLCCDIV的主电源开关，用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP等各路驱动脉冲的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。（4） 打开仪器顶盖，确定CCD为水平位置（即黄色旋钮对应银白标志点），运行A/D数据采集基本软件。否则，请首先安装A/D数据采集基本软件。2运行AD数据采集实验软件（1） 运行A/D数据采集基本软件，计算机应显示出入图4-2所示的程序主界面。图4-3保存数据操作图4-4打开数据文件（2） 采集菜单分为“连续”、“单次”和“平均”等3种采集方式，为调试方便应选择连续采集方式。显示方式也分为分屏显示与单屏压缩

49、显示，单屏压缩显示方便调试。点击图4-3所示“0”设置0s停顿时间的显示方式。点击“连续”便可进行连续采集方式的工作。（3） 仿照实验二、三对镜头光圈的调节方法进行适当的调整，同时也要对驱动频率和积分时间等参数进行设置，观测所采集的输出波形，使输出波形的幅度处于便于观察的位置。（4） 打开实验仪上盖板，将测量片夹“A”插入后端片夹夹具中，调节镜头光圈和积分时间，观测输出波形的变化。（5） 将AD转换的输出波形曲线以*.txt，或*.dat数据格式保存为数据文件。（6） 打开数据文件，显示A/D数据采集的数据，观测每一像元的数据和整行数据的特点。（7） 观测与分析输出波形，分析输出波形与片夹“A

50、”图像（物）的关系。（8） 将测量片夹“A”取出，换上量片夹“F”，再重复做（5）、（6）、（7）项，观察与分析测量结果。3编写AD数据采集连接与处理软件（1） 利用上面所保存的数据文件求出一行数据的最大、最小值。（2） 利用数据文件找出信号的变化周期，分析所采数据的特点。（3） 根据厂家提供的接口程序设计编写简单的接口软件与简单的处理软件。接口软件需要较好的VC+软件基础，根据情况进行选做。研究生或指导教师可以自行编写难度更高的应用软件，在该项实验中做更多的工作。（选做）4结束关机（1） 关闭实验仪。（2） 关闭计算机。（3） 关闭示波器。（4） 关闭电源。六、实验总结1、 出实验总结报告，

51、总结CCD输出信号的幅度与积分时间及光照灵敏度之间的关系，能否验证在同样的光照下输出信号的幅度随积分时间的增长而幅度增大。2、 能否用这个试验检测CCD光敏单元的不均匀性？如果能，该如何安排这个实验？3、 用线阵CCD的A/D数据采集实验能否进行物体尺寸的测量工作？若能，该如何安排这个实验？4、 试将片夹“F”插入片夹夹具中，线阵CCD输出的波形会怎样？片夹“F”为对比度很好的黑白条，经成像物镜、线阵CCD光电变换后再经A/D数据采集，计算机所获得的波形会出现“变形”的现象，怎样解释“变形”的现象？“变形”产生的主要原因是什么？能否利用“变形”的输出波形进行黑白条尺寸的测量？黑白条图像的真实边

52、界的数值有什么特点？5、 怎样利用本实验进行像敏单元不均匀性的测量？6、 你能例举出利用本实验进行其他目的的实验吗？实验五 软件提取边缘信号的二值化处理一、实验目的1、 掌握用软件提取线阵CCD输出信号UO所含物体边界信息的两种方法。2、 学习使用C+语言编写简单的测量软件。二、实验准备内容1、 预习用软件提取线阵CCD输出信号UO所含物体边界信息的基本原理2、 复习C+语言。3、 学习离散函数的微分算法。三、实验所需仪器设备1、 彩色线阵CCD多功能实验仪YHLCCDIV一台。2、 双踪迹示波器一台（带宽50MHz以上）。3、 实验用计算机、VC+软件及相关的实验软件。四、软件提取边界信息的

53、原理线阵CCD输出信号经A/D转换进入计算机系统后，软件测量有多种方法，这里只介绍最基本的3种方法。1、 固定阈值二值化提取方法用计算机软件提取边界信息的方法测量的最基本方法是固定阈值二值化提取方法，其原理类同与硬件二值化提取方法。不同点在于硬件固定阈值二值化提取方法的阈值由硬件提供，软件固定阈值二值化提取方法的阈值可由软件以数字方式提供。这样它比硬件固定阈值二值化提取方法更容易改变或设置阈值。在能够保证系统光源稳定的情况下，这种方法简单易行。图5-1所示为软件固定阈值二值化提取方法的信号波形图，其中的阈值以数字形式由软件提供。2、 浮动阈值二值化提取方法在固定阈值的基础上软件做浮动阈值处理要

54、比硬件的浮动阈值处理方法简单得多，软件采集到一行周期UO输出的数据，可以根据背景光信号的强度信号设置阈值，该阈值可以由背景光幅值的百分比来设置，因此所设置的阈值将跟随背景光的变化而变化，即随背景光的强弱浮动。在一定程度上消除了背景光的不稳定造成对测量造成的误差。另外软件还可以采用多次平均、叠加的算法提高测量的稳定性和精度。3、 微分法二值化提取方法边缘提取的第3种方法是斜率算法，采用二次微分算法。这种方法很像硬件的二次微分处理方法。图5-2所示为这种算法的波形图，线阵CCD输出的载有被测物体边界信息的电压信号UO经数据采集系统送入计算机，该信号的一次微分结果记为UW，二次微分结果记为URW，由

55、此可以采用提取一次微分信号的峰值或者二次微分信号的过零点作为边界信息。这种算法要求信号的边界锐利，以便判断。当物体成像较为清晰时物体边界处所对应的输出信号变化很快，利用这个特点很容易从线阵CCD输出的信号中提取边界信息，完成测量工作。当然，光谱分析中的光谱信号很类似于微分后的输出波形，经常采用这种算法计算光谱的准确位置。五、实验内容及步骤（一）实验内容1、 用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所含图像边界信息的固定阈值法测量被测图像的尺寸。2、 用计算机软件提取线阵CCD输出信号UO所含图像边界信息的浮动阈值法测量被测图像的尺寸。（二）实验步骤1试验预备（1） 首先将实验仪的数据端口和计算机

56、并行端口连线良好。提前将计算机并行端口设置位EPP工作模式。（2） 打开计算机电源，完成系统启动后进入下一步操作。（3） 打开YHLCCDIV的主电源开关，用示波器测量F1、F2、FC、RS、SP、CP各路脉冲信号的波形是否正确。如果与附图3所示的波形相符，继续进行下面实验；否则，应请指导教师检查。（4） 确认是否已经正确安装实验仪软件。否则，请首先安装实验仪软件。（5） 打开实验仪上盖板将测量片夹B插入后端片夹的夹具中。（6） 打开仪器顶盖，确定CCD为水平位置（即黄色旋钮对应银白标志点），运行软件二值化测量实验，点击“连续”采集按钮。（7） 插入片夹F到后端片夹夹具内，调节镜头光圈和积分时

57、间按钮，使波形最高点在红线和蓝线范围内，同时观察右下角的饱和度状态。保证信号最高点在最接近饱和而不饱和的状态。具体方法可以先缩小镜头光圈，然后用降低积分时间的方法微调。调整镜头的焦距，使输出信号曲线的边沿尽量垂直，同时观察右下角垂直度指示，当垂直度达到最大值（即在对焦过程中，垂直度一直增加到最大值会逐渐减少，调节时注意微调）时停止调节（垂直度就是曲线竖边与坐标X轴所成锐角角度与90度的比值）。（8） 点击计算放大倍率按钮，计算放大倍率。（注意此时测定的放大倍率在关闭软件后会还原成初始化时的放大倍率。为了保证测量的规范和准确，请每次实验前完成饱和度的调整和放大倍率的标定）。（9） 保证在实验过程中不要再次调节光圈和焦距。2固定阈值二值化测量（1） 选择“固定阈值测量”，设定“阈值”为150（如图5-3所示）。选择“压缩”显示。采集间隔设为0s，设定采集次数为10次（如图5-4所示）。（2） 按下“平均”采集按钮。（3） 记录测量结果（如图5-5所示的结果），以*.dat或*.txt格式保存到指定的文件夹中（如图5-6、图5-7所示）。图5-6以*.dat或*.txt格式保存测量结果到指定的文件夹图5-3设定阈值图5-4设定阈值图5-5设定值图5-7 保存3浮动阈