相關專題：
0 引言
在如今的科研和工程上，CCD的應用越來越廣泛，但是其驅動脈沖和信號的采集的要求較高，一般需要CPLD或者DSP等比較復雜的微控制器來承擔主要控制任務。這些方案較單片機而言，操作難度大，起點高，而且成本相對較高，然而單片機因為種種限制，很少有合適的驅動和采集方案，一些己發(fā)表的論文中，雖然提出了概念，但是經測試，很難實施，所以本文提出了一種新型的利用單片機驅動CCD的方案，此方案基于C8051F020單片機，能夠對CCD進行良好、高速的驅動，同時進行采集，并通過RS232接口與電腦通訊，在電腦上重組數(shù)據(jù)，完成對光信號的分析等功能。經實驗，本方案效果良好，同時，本方案采用Labview進行人機交互界面的設計，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簡介
1．1 CCD基本原理
CCD(電荷耦合元件)是一種半導體器件，由許多排列整齊的電容組成，能感應光線，并將影像轉變成數(shù)字信號。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容，最終通過脈沖的控制，逐個測量每個電容的電荷量，得到光強值。
1．2 TCD1206型線陣CCD引腳及主要參數(shù)
本設計采用的是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。該器件的內部信號預處理電路包含采樣保持和輸出預放大電路。它包含一列2160像元的光敏二極管，當掃描一張B4的圖紙時，可達到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�。�14×14×14 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結作為光敏單元
·時鐘：二相(5V)
·內部電路：包含采樣保持電路，輸出預放大電路
·封裝形式：22腳DIP封裝。
1．3 TCD1200型線陣CCD驅動采集脈沖要求
該型號的CCD驅動需要發(fā)送SH、φ1、φ2、RS等脈沖，而采集需要差分OS和DOS兩路信號，具體脈沖要求如圖2所示。
其中SH為積分脈沖，高電平的時候，CCD像元開始累積電荷，低電平的時候停止積累；φ1、φ2為兩路反相的驅動脈沖，其主要作用是控制電荷的轉移；RS為信號觸發(fā)脈沖，每個下跳沿會觸發(fā)一個像元釋放電荷，從而將電信號輸出；OS則是輸出信號，在經過13個啞元輸出和光屏蔽輸出后，輸出有用信號；DOS則是參考電平信號，與OS差分之后，得到最終的信號輸出。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，因而一般單片機的操作難以完成。
2 硬件電路設計
如圖2所示，CCD的驅動需要發(fā)送包括SH、φ1、φ2、RS等4個驅動脈沖，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，對單片機來說，難以獨立完成，所以本系統(tǒng)選用了一定的數(shù)字電路進行輔助設計。同時由于C8051F020單片機的A／D轉換最高值為500kHz，而CCD發(fā)送模擬信號的頻率(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自帶的PCA模塊發(fā)送穩(wěn)定的1MHz的方波脈沖，然后通過D觸發(fā)器(74HC74芯片)進行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驅動脈沖，0.25MHz的兩路脈沖分別作為φ1和φ2的脈沖。同時用定時器2檢測RS，進行計數(shù)，確定SH的積分時間，發(fā)送符合要求的SH脈沖，同時SH的脈沖需要一個反相器，進行電平轉換(3V～5V)，和發(fā)送D觸發(fā)器的控制脈沖。對于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行采集。
CCD的脈沖控制和信號A／D轉換工作主要由C8051F020單片機完成。如前所述，TX0和RX0配置在P0．O和P0．1，進行RS232通訊；由P0．2口(PCA)發(fā)送1 MHz的穩(wěn)定方波脈沖；P0．3(T2)進行RS (0．5 M Hz)的計數(shù)；A／D轉換觸發(fā)控制位(CNVSTR)連入引腳P0．4；P0．5通過定時器2控制，發(fā)送SH脈沖；P1．1為模擬輸入口，接收模擬信號。
3 人機交互界面軟件設計
本系統(tǒng)的軟件設計包括C8051微控制器的應用程序和人機交互界面的Labview應用程序。
C8051微控制器的程序流程圖如圖3所示，配合硬件設置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收計算機發(fā)送的信息，便開始讀取CCD的數(shù)據(jù)，并存儲到XDATA空間當中。結束一周期的數(shù)據(jù)的采集則關閉A／D轉換，并判斷計算機發(fā)送的信息里要求發(fā)送整個波形還是進行位置判斷(本設計還包括一個判斷極值的功能，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，進行完一系列的過程后，則重新開始采集，依此循環(huán)。
Labview采用圖形化的G語言進行編程，完成人機交互界面軟件的功能。該軟件可以實現(xiàn)整個波形圖和位置信息的實時采集，歷史數(shù)據(jù)的保存和讀取，以及整個系統(tǒng)的開始、停止和復位等控制。圖4是Labview的程序框圖。
4 實驗結果
4．1 電路板實物圖
本方案已經完全實現(xiàn)，經測試，效果良好，可滿足基本的科研檢測或演示教學任務，以下是已經制板成功的電路板。
4．2 單縫衍射測試
當光經過細小的單縫，縫寬和光源的波長相當?shù)臅r候，會產生明顯的衍射現(xiàn)象，即光會改變直線傳播，并按照一定的規(guī)律進行傳播。理想狀況下的單縫衍射，光屏會出現(xiàn)特定的光譜，中間條紋最亮，向兩邊逐漸減弱，同時會出現(xiàn)完全沒有光的暗紋。圖6即測試圖樣，上半部分是采集的電壓值經定標后對應的光強波形圖，與理論完全一致；下半部分是利用Labview的二維光強控件對真實情況的模擬，與肉眼觀察的圖樣一致。
5 結束語
本文提供了一套完整的用單片機驅動采集CCD信號的方案，對軟硬件都做了詳細的介紹。其新穎之處是通過不占用內存的PCA配合D觸發(fā)器和定時計數(shù)器完成驅動脈沖的產生。綜上所述，C8051f020單片機能完成這項任務在于其支持一個16位的PCA模塊，2個12位以上的定時計數(shù)器，2k以上的內部數(shù)據(jù)RAM，一個8位的多種觸發(fā)方式的高速ADC以及UART串口。任何一個具有同樣模擬外設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器補充，而8位ADC芯片在市場也很多，大多數(shù)單片機也都具備12位以上的定時計數(shù)器，所以這個方法完全可以推廣應用，是一種普遍適用的應用方案。
作者：屈少華 陳 陽 程永進 來源：現(xiàn)代電子技術
