基于单片机的线阵CCD驱动及采集系统的设计

摘要：文章介绍一种新型的基于单片机的线阵CCD驱动电路的设计。系统通过C8051F020型单片机作为下位机，完成CCD驱动、信号采集以及与计算机(上位机)通讯等工作。这种方案切实有效地解决了CCD驱动脉冲复杂、频率要求较高，普通单片机难以实现的问题。大量反复的实验表明，此设计具有很高的可移植性、可操作性，并己应用于一些光学实验之中，效果良好，稳定方便。
关键词：单片机；C8051F020；线阵CCD；Labview

0 引言
    在如今的科研和工程上，CCD的应用越来越广泛，但是其驱动脉冲和信号的采集的要求较高，一般需要CPLD或者DSP等比较复杂的微控制器来承担主要控制任务。这些方案较单片机而言，操作难度大，起点高，而且成本相对较高，然而单片机因为种种限制，很少有合适的驱动和采集方案，一些己发表的论文中，虽然提出了概念，但是经测试，很难实施，所以本文提出了一种新型的利用单片机驱动CCD的方案，此方案基于C8051F020单片机，能够对CCD进行良好、高速的驱动，同时进行采集，并通过RS232接口与电脑通讯，在电脑上重组数据，完成对光信号的分析等功能。经实验，本方案效果良好，同时，本方案采用Labview进行人机交互界面的设计，灵活性高，能够根据需要，将CCD改变成位置传感器等其他用途。

1 CCD简介
1．1 CCD基本原理
    CCD(电荷耦合元件)是一种半导体器件，由许多排列整齐的电容组成，能感应光线，并将影像转变成数字信号。经由外部电路的控制，每个小电容能将其所带的电荷转给它相邻的电容，最终通过脉冲的控制，逐个测量每个电容的电荷量，得到光强值。
1．2 TCD1206型线阵CCD引脚及主要参数
    本设计采用的是TCD1200D型线阵CCD传感器。TCD1200D是一种高灵敏度、低暗电流、2160像元的线阵CCD图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。该器件的内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路。它包含一列2160像元的光敏二极管，当扫描一张B4的图纸时，可达到8线／毫米(200DPI)的精度。其引脚及原理如图1所示。

    TCD1200D线阵CCD传感器特性：
    ·像敏单元数目：2160像元
    ·像敏单元大小：14×14×14 μ m(相邻像元中心距为14 μ m)
    ·光敏区域：采用高灵敏度PN结作为光敏单元
    ·时钟：二相(5V)
    ·内部电路：包含采样保持电路，输出预放大电路
    ·封装形式：22脚DIP封装。
1．3 TCD1200型线阵CCD驱动采集脉冲要求
    该型号的CCD驱动需要发送SH、φ1、φ2、RS等脉冲，而采集需要差分OS和DOS两路信号，具体脉冲要求如图2所示。

    其中SH为积分脉冲，高电平的时候，CCD像元开始累积电荷，低电平的时候停止积累；φ1、φ2为两路反相的驱动脉冲，其主要作用是控制电荷的转移；RS为信号触发脉冲，每个下跳沿会触发一个像元释放电荷，从而将电信号输出；OS则是输出信号，在经过13个哑元输出和光屏蔽输出后，输出有用信号；DOS则是参考电平信号，与OS差分之后，得到最终的信号输出。这些脉冲的要求频率高(例如RS典型频率参考值是1 MHz)，相互之间匹配要求高，因而一般单片机的操作难以完成。

2 硬件电路设计
    如图2所示，CCD的驱动需要发送包括SH、φ1、φ2、RS等4个驱动脉冲，其中RS的频率范围是0．02MHz到2MHz，典型值是1MHz。这种高频率的脉冲，对单片机来说，难以独立完成，所以本系统选用了一定的数字电路进行辅助设计。同时由于C8051F020单片机的A／D转换最高值为500kHz，而CCD发送模拟信号的频率(即OS的频率)与RS相同，所以RS的频率亦选为500kHz。
    具体方案是用单片机自带的PCA模块发送稳定的1MHz的方波脉冲，然后通过D触发器(74HC74芯片)进行2次分频，获得5V、0.5MHz和0.25M Hz的方波脉冲(两种频率都各有两路电平总是相反的脉冲)，其中0．5MHz脉冲作为RS驱动脉冲，0.25MHz的两路脉冲分别作为φ1和φ2的脉冲。同时用定时器2检测RS，进行计数，确定SH的积分时间，发送符合要求的SH脉冲，同时SH的脉冲需要一个反相器，进行电平转换(3V～5V)，和发送D触发器的控制脉冲。对于DOS的采集，本系统选用的是用OP27搭建的减法器和跟随器进行采集。
    CCD的脉冲控制和信号A／D转换工作主要由C8051F020单片机完成。如前所述，TX0和RX0配置在P0．O和P0．1，进行RS232通讯；由P0．2口(PCA)发送1 MHz的稳定方波脉冲；P0．3(T2)进行RS (0．5 M Hz)的计数；A／D转换触发控制位(CNVSTR)连入引脚P0．4；P0．5通过定时器2控制，发送SH脉冲；P1．1为模拟输入口，接收模拟信号。

3 人机交互界面软件设计
    本系统的软件设计包括C8051微控制器的应用程序和人机交互界面的Labview应用程序。

    C8051微控制器的程序流程图如图3所示，配合硬件设置好PCA、ADC等功能的初始化后，直至接收计算机发送的信息，便开始读取CCD的数据，并存储到XDATA空间当中。结束一周期的数据的采集则关闭A／D转换，并判断计算机发送的信息里要求发送整个波形还是进行位置判断(本设计还包括一个判断极值的功能，为位置传感留下了接口)，若是前者，则将所有的数据发送到串口的缓存中；若是后者，则判断山转换数据的最大值，再将最大值的位置信启、发送至串口，进行完一系列的过程后，则重新开始采集，依此循环。

    Labview采用图形化的G语言进行编程，完成人机交互界面软件的功能。该软件可以实现整个波形图和位置信息的实时采集，历史数据的保存和读取，以及整个系统的开始、停止和复位等控制。图4是Labview的程序框图。

4 实验结果
4．1 电路板实物图
    本方案已经完全实现，经测试，效果良好，可满足基本的科研检测或演示教学任务，以下是已经制板成功的电路板。

4．2 单缝衍射测试
    当光经过细小的单缝，缝宽和光源的波长相当的时候，会产生明显的衍射现象，即光会改变直线传播，并按照一定的规律进行传播。理想状况下的单缝衍射，光屏会出现特定的光谱，中间条纹最亮，向两边逐渐减弱，同时会出现完全没有光的暗纹。图6即测试图样，上半部分是采集的电压值经定标后对应的光强波形图，与理论完全一致；下半部分是利用Labview的二维光强控件对真实情况的模拟，与肉眼观察的图样一致。

5 结束语
    本文提供了一套完整的用单片机驱动采集CCD信号的方案，对软硬件都做了详细的介绍。其新颖之处是通过不占用内存的PCA配合D触发器和定时计数器完成驱动脉冲的产生。综上所述，C8051f020单片机能完成这项任务在于其支持一个16位的PCA模块，2个12位以上的定时计数器，2k以上的内部数据RAM，一个8位的多种触发方式的高速ADC以及UART串口。任何一个具有同样模拟外设的微控制器都能完成此方案，并且其中PCA模块可以用有源晶振代替，自带的RAM不足，完全可以用外部存储器补充，而8位ADC芯片在市场也很多，大多数单片机也都具备12位以上的定时计数器，所以这个方法完全可以推广应用，是一种普遍适用的应用方案。