基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)及采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：文章介紹一種新型的基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)C8051F020型單片機(jī)作為下位機(jī)，完成CCD驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集以及與計(jì)算機(jī)(上位機(jī))通訊等工作。這種方案切實(shí)有效地解決了CCD驅(qū)動(dòng)脈沖復(fù)雜、頻率要求較高，普通單片機(jī)難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。大量反復(fù)的實(shí)驗(yàn)表明，此設(shè)計(jì)具有很高的可移植性、可操作性，并己應(yīng)用于一些光學(xué)實(shí)驗(yàn)之中，效果良好，穩(wěn)定方便。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；C8051F020；線陣CCD；Labview

0 引言
    在如今的科研和工程上，CCD的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但是其驅(qū)動(dòng)脈沖和信號(hào)的采集的要求較高，一般需要CPLD或者DSP等比較復(fù)雜的微控制器來(lái)承擔(dān)主要控制任務(wù)。這些方案較單片機(jī)而言，操作難度大，起點(diǎn)高，而且成本相對(duì)較高，然而單片機(jī)因?yàn)榉N種限制，很少有合適的驅(qū)動(dòng)和采集方案，一些己發(fā)表的論文中，雖然提出了概念，但是經(jīng)測(cè)試，很難實(shí)施，所以本文提出了一種新型的利用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)CCD的方案，此方案基于C8051F020單片機(jī)，能夠?qū)CD進(jìn)行良好、高速的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行采集，并通過(guò)RS232接口與電腦通訊，在電腦上重組數(shù)據(jù)，完成對(duì)光信號(hào)的分析等功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，本方案效果良好，同時(shí)，本方案采用Labview進(jìn)行人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，靈活性高，能夠根據(jù)需要，將CCD改變成位置傳感器等其他用途。

1 CCD簡(jiǎn)介
1．1 CCD基本原理
    CCD(電荷耦合元件)是一種半導(dǎo)體器件，由許多排列整齊的電容組成，能感應(yīng)光線，并將影像轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)。經(jīng)由外部電路的控制，每個(gè)小電容能將其所帶的電荷轉(zhuǎn)給它相鄰的電容，最終通過(guò)脈沖的控制，逐個(gè)測(cè)量每個(gè)電容的電荷量，得到光強(qiáng)值。
1．2 TCD1206型線陣CCD引腳及主要參數(shù)
    本設(shè)計(jì)采用的是TCD1200D型線陣CCD傳感器。TCD1200D是一種高靈敏度、低暗電流、2160像元的線陣CCD圖像傳感器。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。該器件的內(nèi)部信號(hào)預(yù)處理電路包含采樣保持和輸出預(yù)放大電路。它包含一列2160像元的光敏二極管，當(dāng)掃描一張B4的圖紙時(shí)，可達(dá)到8線／毫米(200DPI)的精度。其引腳及原理如圖1所示。

    TCD1200D線陣CCD傳感器特性：
    ·像敏單元數(shù)目：2160像元
    ·像敏單元大?。?4×14×14 μ m(相鄰像元中心距為14 μ m)
    ·光敏區(qū)域：采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元
    ·時(shí)鐘：二相(5V)
    ·內(nèi)部電路：包含采樣保持電路，輸出預(yù)放大電路
    ·封裝形式：22腳DIP封裝。[!--empirenews.page--]
1．3 TCD1200型線陣CCD驅(qū)動(dòng)采集脈沖要求
    該型號(hào)的CCD驅(qū)動(dòng)需要發(fā)送SH、φ1、φ2、RS等脈沖，而采集需要差分OS和DOS兩路信號(hào)，具體脈沖要求如圖2所示。

    其中SH為積分脈沖，高電平的時(shí)候，CCD像元開(kāi)始累積電荷，低電平的時(shí)候停止積累；φ1、φ2為兩路反相的驅(qū)動(dòng)脈沖，其主要作用是控制電荷的轉(zhuǎn)移；RS為信號(hào)觸發(fā)脈沖，每個(gè)下跳沿會(huì)觸發(fā)一個(gè)像元釋放電荷，從而將電信號(hào)輸出；OS則是輸出信號(hào)，在經(jīng)過(guò)13個(gè)啞元輸出和光屏蔽輸出后，輸出有用信號(hào)；DOS則是參考電平信號(hào)，與OS差分之后，得到最終的信號(hào)輸出。這些脈沖的要求頻率高(例如RS典型頻率參考值是1 MHz)，相互之間匹配要求高，因而一般單片機(jī)的操作難以完成。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    如圖2所示，CCD的驅(qū)動(dòng)需要發(fā)送包括SH、φ1、φ2、RS等4個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，其中RS的頻率范圍是0．02MHz到2MHz，典型值是1MHz。這種高頻率的脈沖，對(duì)單片機(jī)來(lái)說(shuō)，難以獨(dú)立完成，所以本系統(tǒng)選用了一定的數(shù)字電路進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。同時(shí)由于C8051F020單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換最高值為500kHz，而CCD發(fā)送模擬信號(hào)的頻率(即OS的頻率)與RS相同，所以RS的頻率亦選為500kHz。
    具體方案是用單片機(jī)自帶的PCA模塊發(fā)送穩(wěn)定的1MHz的方波脈沖，然后通過(guò)D觸發(fā)器(74HC74芯片)進(jìn)行2次分頻，獲得5V、0.5MHz和0.25M Hz的方波脈沖(兩種頻率都各有兩路電平總是相反的脈沖)，其中0．5MHz脈沖作為RS驅(qū)動(dòng)脈沖，0.25MHz的兩路脈沖分別作為φ1和φ2的脈沖。同時(shí)用定時(shí)器2檢測(cè)RS，進(jìn)行計(jì)數(shù)，確定SH的積分時(shí)間，發(fā)送符合要求的SH脈沖，同時(shí)SH的脈沖需要一個(gè)反相器，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換(3V～5V)，和發(fā)送D觸發(fā)器的控制脈沖。對(duì)于DOS的采集，本系統(tǒng)選用的是用OP27搭建的減法器和跟隨器進(jìn)行采集。
    CCD的脈沖控制和信號(hào)A／D轉(zhuǎn)換工作主要由C8051F020單片機(jī)完成。如前所述，TX0和RX0配置在P0．O和P0．1，進(jìn)行RS232通訊；由P0．2口(PCA)發(fā)送1 MHz的穩(wěn)定方波脈沖；P0．3(T2)進(jìn)行RS (0．5 M Hz)的計(jì)數(shù)；A／D轉(zhuǎn)換觸發(fā)控制位(CNVSTR)連入引腳P0．4；P0．5通過(guò)定時(shí)器2控制，發(fā)送SH脈沖；P1．1為模擬輸入口，接收模擬信號(hào)。
[!--empirenews.page--]
3 人機(jī)交互界面軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括C8051微控制器的應(yīng)用程序和人機(jī)交互界面的Labview應(yīng)用程序。

    C8051微控制器的程序流程圖如圖3所示，配合硬件設(shè)置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息，便開(kāi)始讀取CCD的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到XDATA空間當(dāng)中。結(jié)束一周期的數(shù)據(jù)的采集則關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換，并判斷計(jì)算機(jī)發(fā)送的信息里要求發(fā)送整個(gè)波形還是進(jìn)行位置判斷(本設(shè)計(jì)還包括一個(gè)判斷極值的功能，為位置傳感留下了接口)，若是前者，則將所有的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口的緩存中；若是后者，則判斷山轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最大值，再將最大值的位置信啟、發(fā)送至串口，進(jìn)行完一系列的過(guò)程后，則重新開(kāi)始采集，依此循環(huán)。

    Labview采用圖形化的G語(yǔ)言進(jìn)行編程，完成人機(jī)交互界面軟件的功能。該軟件可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)波形圖和位置信息的實(shí)時(shí)采集，歷史數(shù)據(jù)的保存和讀取，以及整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)始、停止和復(fù)位等控制。圖4是Labview的程序框圖。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4．1 電路板實(shí)物圖
    本方案已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)，經(jīng)測(cè)試，效果良好，可滿足基本的科研檢測(cè)或演示教學(xué)任務(wù)，以下是已經(jīng)制板成功的電路板。

[!--empirenews.page--]
4．2 單縫衍射測(cè)試
    當(dāng)光經(jīng)過(guò)細(xì)小的單縫，縫寬和光源的波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，會(huì)產(chǎn)生明顯的衍射現(xiàn)象，即光會(huì)改變直線傳播，并按照一定的規(guī)律進(jìn)行傳播。理想狀況下的單縫衍射，光屏?xí)霈F(xiàn)特定的光譜，中間條紋最亮，向兩邊逐漸減弱，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)完全沒(méi)有光的暗紋。圖6即測(cè)試圖樣，上半部分是采集的電壓值經(jīng)定標(biāo)后對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)波形圖，與理論完全一致；下半部分是利用Labview的二維光強(qiáng)控件對(duì)真實(shí)情況的模擬，與肉眼觀察的圖樣一致。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文提供了一套完整的用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)采集CCD信號(hào)的方案，對(duì)軟硬件都做了詳細(xì)的介紹。其新穎之處是通過(guò)不占用內(nèi)存的PCA配合D觸發(fā)器和定時(shí)計(jì)數(shù)器完成驅(qū)動(dòng)脈沖的產(chǎn)生。綜上所述，C8051f020單片機(jī)能完成這項(xiàng)任務(wù)在于其支持一個(gè)16位的PCA模塊，2個(gè)12位以上的定時(shí)計(jì)數(shù)器，2k以上的內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM，一個(gè)8位的多種觸發(fā)方式的高速ADC以及UART串口。任何一個(gè)具有同樣模擬外設(shè)的微控制器都能完成此方案，并且其中PCA模塊可以用有源晶振代替，自帶的RAM不足，完全可以用外部存儲(chǔ)器補(bǔ)充，而8位ADC芯片在市場(chǎng)也很多，大多數(shù)單片機(jī)也都具備12位以上的定時(shí)計(jì)數(shù)器，所以這個(gè)方法完全可以推廣應(yīng)用，是一種普遍適用的應(yīng)用方案。