一種基于單片機(jī)的新型線陣CCD電路

　　摘 要： 本文在綜合幾種傳統(tǒng)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法優(yōu)、缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于單片機(jī)的新型線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)合一款常用芯片TCD1500C，詳細(xì)介紹了該方法的具體實(shí)現(xiàn)。

　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)；線陣CCD；時(shí)序

引言

    不同廠家、不同型號的CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是不同的，加之對不同性能、不同應(yīng)用場合的體積、成本、靈活性要求不同，于是產(chǎn)生了眾多的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法，主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)口驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)、專用IC驅(qū)動(dòng)等常用的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法。但是它們存在著邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、柔性較差、驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘低等缺點(diǎn)。

    本文在綜合各種驅(qū)動(dòng)時(shí)序方法的基礎(chǔ)上，提出了的一種基于單片機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)電路。該電路使用獨(dú)立的時(shí)鐘源產(chǎn)生精確的時(shí)鐘脈沖，采用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)芯片和單片機(jī)控制相結(jié)合的方法，使電路產(chǎn)生穩(wěn)定、精確、高速的驅(qū)動(dòng)脈沖，該電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、CPU占用率低，降低了系統(tǒng)的總體成本，而且具有良好的柔性，只需要改變驅(qū)動(dòng)軟件就可以應(yīng)用于不同的CCD芯片，更適合于工業(yè)測量用途。

驅(qū)動(dòng)電路基本組成

    基于單片機(jī)的新型線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路主要由脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制電路、脈寬調(diào)制電路等組成，如圖1所示。

    通常時(shí)鐘脈沖可取自以下途徑：單片機(jī)XTAL端、ALE端、獨(dú)立脈沖源。其中取自XTAL端時(shí)，經(jīng)分頻電路得到的脈沖頻率受限制；取自ALE端的脈沖在單片機(jī)訪問外部存儲器的時(shí)候丟失，精度受影響；而取自獨(dú)立脈沖源的脈沖因其獨(dú)立性而精度較高，且所產(chǎn)生的脈沖頻率可自由選擇，穩(wěn)定性好，因此本驅(qū)動(dòng)電路選用獨(dú)立脈沖源。

    分頻電路可以選用D觸發(fā)器/JK觸發(fā)器，如74LS(HC)74、74LS(HC)76，均帶置位、清零端，較易控制；也可以選用計(jì)數(shù)器，如74LS(HC)163(可預(yù)置)，8253(2MHZ可編程)，82(C)54(10MHZ可編程)。為了便于調(diào)試和增加系統(tǒng)的柔性，本驅(qū)動(dòng)電路選用具有較高頻率的82C54，它含有3個(gè)16位減法計(jì)數(shù)器， 6種工作方式。其中工作方式2時(shí)，起頻率發(fā)生器的作用，CLK端輸入脈沖使計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器減到1時(shí)停止計(jì)數(shù)，并使OUT端輸出負(fù)脈沖；方式3起方波發(fā)生器作用，[(N+1)/2]計(jì)數(shù)完成之前為高電平，對余下的[(N-1)/2]計(jì)數(shù)時(shí)輸出低電平。

    控制電路主要由單片機(jī)AT89C51及邏輯門電路組成。AT89C51最高工作頻率達(dá)24MHz，內(nèi)含4KB的Flash存儲器。用于82C54的初始化、控制計(jì)數(shù)脈沖的通斷、計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)、停止及完成系統(tǒng)中其它任務(wù)。

    脈寬調(diào)制電路主要由阻容電路、單穩(wěn)態(tài)電路(如74LS/HC123)組成。該電路主要用于調(diào)整各驅(qū)動(dòng)脈沖之間的相位關(guān)系。74LS(HC)123是可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在觸發(fā)脈沖的上升沿(接B端)或下降沿(接A端)的作用下，輸出Q為高電平，經(jīng)過延時(shí)Tw后，輸出Q返回低電平；如果輸出高電平期間，觸發(fā)脈沖又到來，則高電平又會(huì)從此刻延時(shí)Tw，因此如果觸發(fā)脈沖在高電平期間不斷到來，則高電平將要被無限期的延遲，即輸出為高電平；當(dāng)外接電阻為R且電容C>1000pF時(shí)，Tw=0.45 * R *C 。

圖1驅(qū)動(dòng)電路原理圖

系統(tǒng)實(shí)例

系統(tǒng)組成

    本系統(tǒng)用于測量螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的槳葉的偏振角。由于螺旋槳具有剛性，其轉(zhuǎn)動(dòng)過程中不僅存在擺動(dòng)，而且存在振動(dòng)，對其偏擺角的測量需要在螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過程中采集其瞬態(tài)的位置，利用CCD的成像特性，將螺旋槳瞬態(tài)的位置信息通過CCD成像，光信號轉(zhuǎn)換為電荷信號，經(jīng)過信號處理電路，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸給CPU處理。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)中的光源可以選用有源光源或自然光，根據(jù)測試現(xiàn)場環(huán)境、安裝空間、體積等因素綜合考慮；光學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)測試現(xiàn)場的尺寸要求及視場要求，根據(jù)幾何光學(xué)公式計(jì)算選定；CCD選用日本東芝公司的TCD1500C，測量精度和分辨率都很高，內(nèi)有驅(qū)動(dòng)器和采樣保持電路，輸出可以直接取除了調(diào)幅脈沖成分的視頻信號，并且只需3路驅(qū)動(dòng)信號：SH、Φ、RS；信號處理電路用于對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行濾波、放大、二值化、采樣等處理，便于DSP處理；主處理器采用數(shù)字信號處理器DSP，它是一種高性能的單片機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有多條數(shù)據(jù)、地址總線，可同時(shí)訪問數(shù)據(jù)和程序存儲器，其多級深度流水線，可以預(yù)先裝載多達(dá)八級指令，指令執(zhí)行速度可達(dá)300MIPS~10GIPS(內(nèi)有多并行CPU)，正廣泛應(yīng)用于測試、信號處理、通訊等大運(yùn)算量的領(lǐng)域，可作為協(xié)處理器(大型系統(tǒng))，也可以作為主處理器(中小型系統(tǒng))，并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以與上位機(jī)和下位機(jī)通訊。

驅(qū)動(dòng)實(shí)例

* 驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求及實(shí)現(xiàn)

    TCD1500C的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖3-(a)所示，其工作頻率≤8MHz，取 fF=1MHz,fRS=2MHz，TSH≥(5340+64+12)/2ms。其中圖3-(b)時(shí)序由 圖1-(b)實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)強(qiáng)制置位，以滿足電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移；圖3-(c)時(shí)序由 圖1-(d)實(shí)現(xiàn)，其中Re選用精密可調(diào)電阻，Ce>1000pF，延遲時(shí)間由公式Tw=0.45 * R *C 決定，也可以在示波器上觀察調(diào)制。

   驅(qū)動(dòng)電路工作過程如下：上電初始時(shí)，控制與分頻電路中的單片機(jī)AT89C51開相應(yīng)中斷，對各控制引腳設(shè)定初始狀態(tài)電平。接著對82C54計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，設(shè)定82C54的工作方式：定時(shí)器1和定時(shí)器2工作于方式3(方波發(fā)生器)，定時(shí)器2工作于方式4(軟件觸發(fā)方式)，并寫入初值，然后89C51等待主機(jī)的指令-開始測量，則使82C54開始工作，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)完整的積分周期的驅(qū)動(dòng)脈沖后，89C51停止產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，等待主機(jī)的指令。當(dāng)CCD第一幀視頻信號有效時(shí)，經(jīng)信號處理電路的一系列處理后，可以在同步脈沖作用下對輸出的視頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，也可以用高頻脈沖計(jì)數(shù)二值化后的脈沖寬度，通過通訊將得到的數(shù)據(jù)送給主機(jī)處理，主機(jī)將測量的結(jié)果存入存儲器或直接傳給上位PC機(jī)，然后給89C51發(fā)開始命令，驅(qū)動(dòng)下一幀視頻信號，如此往復(fù)直至結(jié)束。

* 驅(qū)動(dòng)電路的軟件編程

    脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生4MHz的方波脈沖，將它通過圖1-(b)分頻電路的兩次分頻，得到1MHz的方波脈沖。圖1-(b)所示時(shí)序通過P1.1控制，從而產(chǎn)生f脈沖；定時(shí)器0計(jì)數(shù)脈沖取自產(chǎn)生f脈沖的第一個(gè)分頻器的輸出(2MHz)， 其計(jì)數(shù)初始值>(5340+64+12)ms，從而產(chǎn)生SH脈沖;通過把f作為定時(shí)器1的計(jì)數(shù)脈沖, 計(jì)數(shù)初始值=2,再將OUT1的輸出接到脈寬調(diào)制電路即可得到RS脈沖。至此，CCD工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖全部得到。

    89C51產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖的部分程序見網(wǎng)站(www.eaw.com.cn)

圖3 TCD1500C驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序

結(jié)語

    該驅(qū)動(dòng)電路綜合了直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法具有較高的驅(qū)動(dòng)頻率和單片機(jī)口驅(qū)動(dòng)方法靈活性特點(diǎn)，還具有硬件電路簡單、成本低、軟件編程靈活、可直接方便的受主處理器控制等特點(diǎn)，而且在實(shí)際使用中穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

1 日本TOSHIBA公司.電荷耦合器件手冊[M].1998
2 王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社,1993
3 蔡文貴等.CCD技術(shù)及應(yīng)用[M]1.北京:電子工業(yè)出版社,1992
4 何立民.MCS-51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000
5 李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1996