一種高速線陣CCD采集系統(tǒng)的設計

摘要：針對線陣CCD(Charge Coupled Device)及其外圍器件時序復雜的特點，設計了一種高速線陣CCD采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機產生PWM信號實現(xiàn)各器件驅動時序，并將采集結果通過串口發(fā)送至上位機。介紹了系統(tǒng)組成及各器件時序同步的設計方法。實驗結果表明，該線陣CCD采集系統(tǒng)能夠很好的滿足設計要求，可作為模塊化電路集成到其它測量系統(tǒng)中。

CCD是新型光電轉換器件，具有體積小、高靈敏度、低噪聲、讀出速度快、動態(tài)范圍高和全譜響應等特點，已經廣泛應用到圖像傳感和非接觸式測量等領域。正確的CCD驅動需要嚴格的時序對應關系，傳統(tǒng)的CCD驅動方式存在著調試困難、靈活性差等缺點，當驅動電路工作在高頻時鐘時會出現(xiàn)嚴重的干擾現(xiàn)象，各邏輯驅動信號不能滿足其嚴格的相位關系，導致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，已不能滿足其應用的需要。因此，CCD采集系統(tǒng)設計的好壞直接影響CCD驅動時序和輸出信號的質量，核心是CCD及外圍器件時序產生及同步的設計。

本文結合TI公司16位低功耗單片機MSP430，使用PWM方式產生操作時序，不需外加CPLD等復雜邏輯器件。實驗結果表明：該系統(tǒng)設計中電路和時序均能夠很好的滿足要求，生成波形良好，能很好的滿足各相位關系。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用索尼公司ILX511還原型線陣CCD，該CCD內置時鐘發(fā)生器與保持電路、具有易于操作等特點。硬件電路主要由線陣CCD與跟隨電路部分、數(shù)據(jù)處理與存儲部分、電壓轉換部分和MSP430部分組成。軟件由初始化部分、數(shù)據(jù)處理與存儲部分、通訊部分構成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 線陣CCD與跟隨電路部分

ILX511線陣CCD有效像素為2 048個，內部結構如圖2所示。CCD通過模擬移位寄存器在VOUT引腳串行輸出信號到后續(xù)電路。Vour以2.8 V為基準，輸出表征光照強度的模擬電壓值，該電壓值滿足后端模數(shù)轉換器輸入范圍，故不需要放大電路。此外，本設計中將SHSW與GND直接相連，ILX511使用內部采樣保持模式輸出信號。

由于ILX511輸出阻抗為250歐姆，在ILX511與ADC(模數(shù)轉換芯片)之間需增加電壓跟隨器實現(xiàn)阻抗變換。考慮CCD的工作頻率和單電源特性，選擇運放AD8041作為電壓跟隨器芯片。線陣CCD與跟隨器電路圖如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理與存儲部分

ADC的位數(shù)對本設計的精度有重要影響，ADC位數(shù)的選擇可依據(jù)公式

其中A為輸入信號的動態(tài)范圍，M為分辨率要求。

ILX511輸出動態(tài)范圍為267，根據(jù)公式(1)可得本設計所需ADC位數(shù)≥8.06，即需選用有效位數(shù)ENOB(Effective Numbers Of Bits)10位以上模數(shù)轉換器。本設計采用AD9220，其在1 MHz工作頻率下信噪比最小為69 dB，由公式(2)可得其最小有效位數(shù)為11.7，滿足系統(tǒng)設計要求。

其中SNR為ADC信噪比。

AD轉換的輸出數(shù)據(jù)要通過RS232送入上位機，由于AD產生的數(shù)據(jù)流速率(12 Mb/s)與RS232通信速率(最高230.4 Kb/s)不配，故AD輸出的數(shù)據(jù)首先存入數(shù)據(jù)緩沖器FIFO中。由于ILX511每次轉換產生2048個數(shù)據(jù)，因此選用IDT公司的IDT7203芯片通過字寬擴展方式使用。AD9220

和IDT7203連接方式如圖4所示。

2.3 電壓轉換部分

由于MSP430為3.3 V供電，而CCD和FIFO及運放部分均為5 V供電，為保證邏輯電平匹配，本設計采用TI公司的8位三態(tài)總線電平轉換芯片SN74LVC4245，該芯片傳輸延遲最大不超過10ns，能夠非常好的滿足本設計的時序要求。

2.4 MSP430部分

文中選用MSP430F149單片機作為主控芯片對電路產生驅動信號，通過定時器產生PWM信號。因此，定時器輸出引腳和需要同步操作的時序信號相連。此外，F(xiàn)IFO輸出結果通過電壓轉換后并行連接到單片機IO口。

3 軟件設計

MSP430程序主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲模塊和通訊模塊組成。程序流程圖如圖5所示。

3.1 初始化模塊

初始化模塊包含以下3個部分：MSP430初始化部分、FIFO初始化部分和CCD初始化部分。

MSP430初始化部分包括時鐘初始化、串口初始化和IO初始化。時鐘初始化設定單片機時鐘來源及頻率，此頻率將決定單片機PWM和串口通信速率的計算以及PWM輸出時定時器的設置。串口初始化只需配置相關寄存器、設定好波特率和開啟中斷即可。IO初始化將沒有用到的IO進行配置。

FIFO在上電和每次寫操作之前需進行復位，F(xiàn)IFO復位后EF標志位為低電平，當MSP430單片機檢測到EF為低電平時即可開始產生后續(xù)所需工作時序。

CCD初始化工作分為兩部分：在其正式操作前需添加至少22 500個CLK脈沖來穩(wěn)定輸出;每次工作前由ROG信號和CLK信號完成初始化。

3.2 數(shù)據(jù)采集與存儲模塊

數(shù)據(jù)采集和存儲模塊完成對系統(tǒng)中各器件間時序的產生和同步操作，將采集到的光譜數(shù)據(jù)暫存到FIFO中。

由圖6可知，ILX511在完成初始化工作后，在每一個CLK時鐘下降沿時輸出信號。ILX511一個采樣周期由2087個CLK周期組成，在前33個周期和最后6個周期輸出無用信號(Dummy Signal)，中間的2048個信號輸出有用信號。因此，AD9220需要在CLK開始后第34個周期啟動轉換。AD 9220某次轉換的結果在其輸入后3周期輸出，故FIFO需在AD9220第一次轉換結果輸出時啟動寫信號，即在CCD第37個CLK時啟動。又由于CCD在CLK低電平時輸出信號，AD9220在CLK高電平時采樣和輸出，F(xiàn)IFO寫信號低電平時有效，故AD9220的時鐘和CLK反相，F(xiàn)IFO寫信號和CLK同相。

結合MSP430定時器靈活的PWM輸出模式，CCD的CLK信號、AD9220的時鐘和FIFO的寫信號通過定時器B的引腳輸出PWM信號實現(xiàn)，各個時鐘周期之間的延時通過精準的延時函數(shù)實現(xiàn)。程序如下。

通過邏輯分析儀實測MSP430各引腳輸出，結果如圖7所示，各驅動信號時序正確，相位匹配良好，完全滿足CCD及外圍電路驅動時序要求。

3.3 通訊模塊

通訊模塊主要通過MSP430的中斷完成發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機的功能。通訊模塊程序流程圖如圖8所示。

在ADC將CCD輸出的數(shù)據(jù)全部轉換完成并將FIFO存滿后，IDT7203的FF標志位變低觸發(fā)MSP430的外部中斷服務程序。若需重新發(fā)送某次結果，需在進行下一次采集之前，由上位機發(fā)送“A”至下位機;若要繼續(xù)采集，則由上位機發(fā)送“C”至下位機。MSP430產生串口接收中斷后，判斷是否進行重新發(fā)送、繼續(xù)采集。

4 結束語

文中在分析線陣CCD器件驅動時序和外圍電路特點的基礎上，以MSP430作為主控芯片輸出PWM的方式，創(chuàng)造性地提出了一種線陣CCD驅動電路和時序的設計方法。實驗驗證了所設計的系統(tǒng)能夠很好地滿足時序要求和實現(xiàn)整體功能。由于采用模塊化設計，本系統(tǒng)可以和引腳兼容的同類CCD共用，同時可以結合MSP430低功耗特點作為模塊組合應用在不同背景和需求中。