基于高速超微型C8051F300單片機的CCD驅(qū)動電路設(shè)計

　　CCD廠家眾多，型號各異，其驅(qū)動時序的產(chǎn)生方法也多種多樣，一般有以下4種：

　　(1)數(shù)字電路驅(qū)動方法

　　這種方法是利用數(shù)字門電路及時序電路直接構(gòu)建驅(qū)動時序電路，其核心是一個時鐘發(fā)生器和幾路時鐘分頻器，各分頻器對同一時鐘進行分頻以產(chǎn)生所需的各路脈沖。該方法的特點是可以獲得穩(wěn)定的高速驅(qū)動脈沖，但邏輯設(shè)計和調(diào)試比較復(fù)雜，所用集成芯片較多，無法在線調(diào)整驅(qū)動頻率。

　　(2)EPROM驅(qū)動方法

　　這種驅(qū)動電路一般在EPROM中事先存放所有的CCD時序信號數(shù)據(jù)，并由計數(shù)電路產(chǎn)生EPROM的地址使之輸出相應(yīng)的驅(qū)動時序。該方法結(jié)構(gòu)相對簡單、運行可靠，但仍需地址產(chǎn)生硬件電路，所需EPR0M容量較大，同樣也無法在
線調(diào)整驅(qū)動頻率。

　　(3)微處理器驅(qū)動方法

　　這種方法利用單片機或DSP通過程序直接在I/O口上輸出所需的各路驅(qū)動脈沖，硬件簡單、調(diào)試方便、可在線調(diào)整驅(qū)動頻率。但由于是依靠程序來產(chǎn)生時序，如果程序設(shè)計不合理，會造成時序不均勻；而且往往會造成微處理器資源浪費；通常驅(qū)動頻率不高，除非采用高速微處理器。

　　(4)可編程邏輯器件驅(qū)動方法

　　這種設(shè)計方法就是利用CPLD、FPGA等可編程邏輯器件來產(chǎn)生時序驅(qū)動信號，硬件簡單、調(diào)試方便、可靠性好，而且可以得到較高的驅(qū)動頻率。同樣也可在線調(diào)整驅(qū)動頻率。電路設(shè)計完成以后，如果想更改驅(qū)動時序，只需將器件內(nèi)部邏輯重新編程即可。

　　以上4類方法中目前常用的是微處理器驅(qū)動方法(通常又稱為“軟件驅(qū)動”法)和可編程邏輯器件驅(qū)動方法(又稱“硬件驅(qū)動”法)。由于在CCD應(yīng)用系統(tǒng)中，一般都要用到微處理器，所以若采用“軟件驅(qū)動”法，則無需增加硬件，在電路結(jié)構(gòu)上最為簡單，系統(tǒng)成本也最低，因此，只要能克服其驅(qū)動頻率低、資源浪費多、時序不均勻等缺點，無疑是一種理想的驅(qū)動方法。本文結(jié)合Toshiba公司的TCDl206線陣CCD，介紹如何利用C8051F300來產(chǎn)生其要求的驅(qū)動時序。

　　2 硬件設(shè)計

　　如圖1所示，虛線框內(nèi)的電路構(gòu)成CCD驅(qū)動處理板。安裝在CCD相機內(nèi)部。系統(tǒng)處理器采用美國Silabs公司推出的超微型高速8位單片機C8051F300，CCD采用Toshiba公司的高靈敏度線陣CCD圖像傳感器芯片TCDl206，雙電壓供電的總線驅(qū)動器LVC4245解決了單片機(3.3V)和CCD(5V)二者之間的電平匹配。CCD驅(qū)動脈沖由C8051F300提供，其像素輸出電壓經(jīng)高速運放AD8031處理，由U0引腳引到外部，同時向外部提供像素同步信號PS和行同步信號FS(由PO．6、P0．7經(jīng)LVT245總線驅(qū)動器所得)。

　　U0、PS、FS這3個信號供外部處理器采集CCD像元輸出。另外，有時可能要在線調(diào)整CCD的某些參數(shù)(如驅(qū)動頻率、積分時間等)，為此設(shè)置了RS232串口與外部處理器進行通信。

　　2．1 TCD1206

　　TCD1206是Toshiba公司生產(chǎn)的高靈敏度二相雙溝道線陣CCD圖像傳感器芯片，2160個有效像素點，像素頻率為0_3～2MHz(本系統(tǒng)為1．MHz)，其驅(qū)動時序波形如圖2所示。

　　圖2中：φl、φ2為像素脈沖，兩者互為反相，RS為復(fù)位脈沖．SH為光積分脈沖，OS為像元輸出，DOS為像元補償輸出。當SH為低電平時，在φ1、φ2交變后，OS輸出像元電壓信號，隨后發(fā)RS脈沖，以便去掉信號輸出緩沖中的殘余電荷，為下一點像素電壓輸出做準備。各脈沖具體時序關(guān)系可參見參考文獻。

　　2．2 C8051F300

　　C8051F系列單片機其CPU內(nèi)核采用流水線結(jié)構(gòu)，機器周期由標準8051的12個系統(tǒng)時鐘周期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，使其執(zhí)行速度在相同晶振下是標準8051的12倍，處理能力大大提高，大部分C8051F單片機的峰值處理速度是25M1PS，而C8051F12X、13X系列的峰值處理速度則達到了100MIPS。C8051F系列單片機功能齊全，性能優(yōu)異，其整體性能超過很多目前的16位單片機，甚至在一些低端應(yīng)用中可取代低速的16位DSP器件，目前在儀器儀表、工業(yè)控制、嵌入式產(chǎn)品等領(lǐng)域日益得到廣泛應(yīng)用。

　　C8051F300是C8051F系列中的超微型高速混合系統(tǒng)級單片機，是目前世界上最小封裝的8位單片機，11個引腳，封裝在面積為3ram×3mm的芯片上。內(nèi)部集成了3個16位定時器、3個可編程捕捉，比較模塊、1個UART串口、1個I2C串口、1個8通道500KSPS采樣率的8位ADC、8KB的Flash程序存儲器、256B的內(nèi)部RAM、8個I/O口，系統(tǒng)內(nèi)部振蕩時鐘為24．5MHz(±2％)、最大峰值處理速度可達25MIPS。

　　由圖2可見，在4路CCD驅(qū)動脈沖中，對時序要求嚴格的是φ1、φ2和RS，為此，利用C8051F300的可編程計數(shù)器陣列模塊的2個可編程捕捉，比較模塊輸出口(CEXO、CEXl)自動產(chǎn)生φl、φ2，以CEXO為基準點，再產(chǎn)生RS和其他脈沖。

　　2．3 可編程計數(shù)器陣列(PCA)

　　PCA提供增強的定時器功能，由一個專用的16位計數(shù)器，定時器和3個16位捕捉，比較模塊組成，每個捕捉/比較模塊有其自己的I／O口(CEXn，n=l，2，3)。計數(shù)器，定時器的時基信號可在6個時鐘源中選擇：系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)時鐘／4、系統(tǒng)時鐘/12、外部振蕩器時鐘/8、定時器0溢出或ECI輸入引腳上的外部時鐘信號。而每個捕捉，比較模塊都可以被獨立配置為6種工作方式之一：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位PWM和16位PWM。

　　由于φ1、φ2(對應(yīng)CEXO、CEXl)是占空比為50％的方波，所以捕捉/比較模塊0、1工作在頻率輸出方式，這種工作方式可在CEXn引腳產(chǎn)生可編程頻率的方波，其工作原理圖如圖3所示。當PCA計數(shù)器低字節(jié)與捕捉，比較寄存器低字節(jié)相同即PCAOL=PCAOCPLn時，稱為“比較匹配”，此時CEXn引腳電平翻轉(zhuǎn)，同時捕捉/比較寄存器高字節(jié)即PCAOL與PCAOCPHn相加后的結(jié)果送入PCAOCPLn，以便下一次比較用。顯然，只要改變PCAOCPHn的值，便可在CEXn引腳上得到頻率可調(diào)、占空比為50％的方渡，其頻率由下式定義：

　　fCEXn=fPCA/（2×PCAOCPHn），

　　其中：fPCA是PCA計數(shù)器，定時器的時鐘頻率。

　　3 軟件設(shè)計

　　為了得到時序嚴格的ccD驅(qū)動脈沖和外部輸出同步脈沖，程序不是靠軟件延時來達到合適寬度的脈沖，而是利用PCA模塊本身強大的功能，用中斷程序來完成各路脈沖，即開放捕捉，比較模塊0的“比較匹配”中斷作為同步信號，并以此為基準點完成相應(yīng)脈沖的每一次變化。

　　3.1 CCD驅(qū)動脈沖

　　PCA的2個捕捉，比較模塊工作方式設(shè)置為如圖4所示的頻率輸出方式。其輸出引腳CEX0、CEXl的初始電平設(shè)置為1、0，當PCAOL與PCAOCPLn(n=O、1)“比較匹配”時，電平翻轉(zhuǎn)，由此形成反相的φ1、φ2脈沖；而HS脈沖的產(chǎn)生，則是在捕捉/比較模塊O的“比較匹配”中斷程序中，即先對RS(P0．2)置l，隨后清零，這樣就可產(chǎn)生80ns的RS脈沖(SETB bit指令周期為2個時鐘周期，即80ns)。

　　3．2 外部輸出同步脈沖及像素電壓

　　行同步信號FS、像素同步信號IX5均設(shè)置為低電平有效，CCD時序中φl、φ2交變后直到像素電壓輸出有一個延遲時間tdly(典型值為150ns)，但由于捕捉/比較模塊0“比較匹配”時，一方面CEXO(φ1)翻轉(zhuǎn)，一方面向CPU請求中斷，而中斷響應(yīng)時間需5個時鐘周期(200ns)，顯然大于tdly，所以進入中斷后，不必考慮tdly，可直接對PS(P0．6)清零，待合適的時間后再將PS置1．這樣就產(chǎn)生一個低電平有效的PS信號。

　　CCD像素輸出OS、DOS經(jīng)高速運放AD8031處理后，其外部輸出像素電壓Uo時序如圖4所示。

　　針對單片機在CCD時序驅(qū)動應(yīng)用中存在的優(yōu)缺點．選用新型高速C8051F單片機，實現(xiàn)CCD驅(qū)動電路，克服了單片機驅(qū)動方式存在的驅(qū)動頻率低、系統(tǒng)資源浪費、時序間隔不均勻等缺點；具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試編程方便、可在線調(diào)整驅(qū)動頻率等優(yōu)點。本文所介紹的驅(qū)動電路己應(yīng)用于TCDl206，超微型的封裝結(jié)構(gòu)使其很容易與其他芯片一起嵌入在CCD相機中，系統(tǒng)運行可靠。