1、一种基于高速超微型单片机的 CCD 驱动电路设计CCD 作为一种光电转换器件，由于其具有精度高、分辨率好、性能稳定等特点，目前广泛应用于图像传感和非接触式测量领域。在 CCD 应用技术中，最关键的两个问题是 CCD 驱动时序的产生和 CCD 输出信号的处理。对于 CCD输出信号，可以根据 CCD 像素频率和输出信号幅值来选择合适的片外或片内模数转换器；而对于 CCD 驱动时序，则有几类常用的产生方法。1 常用的 CCD 驱动时序产生方法CCD 厂家众多，型号各异，其驱动时序的产生方法也多种多样，一般有以下 4种：(1)数字电路驱动方法这种方法是利用数字门电路及时序电路直接构建驱动时序电路，其核
2、心是一个时钟发生器和几路时钟分频器，各分频器对同一时钟进行分频以产生所需的各路脉冲。该方法的特点是可以获得稳定的高速驱动脉冲，但逻辑设计和调试比较复杂，所用集成芯片较多，无法在线调整驱动频率。2)EPROM 驱动方法这种驱动电路一般在 EPROM 中事先存放所有的 CCD 时序信号数据，并由计数电路产生 EPROM 的地址使之输出相应的驱动时序。该方法结构相对简单、运行可靠，但仍需地址产生硬件电路，所需 EPR0M 容量较大，同样也无法在线调整驱动频率。(3)微处理器驱动方法这种方法利用单片机或 DSP 通过程序直接在 I/O 口上输出所需的各路驱动脉冲，硬件简单、调试方便、可在线调整驱动频率
3、。但由于是依靠程序来产生时序，如果程序设计不合理，会造成时序不均匀；而且往往会造成微处理器资源浪费；通常驱动频率不高，除非采用高速微处理器。(4)可编程逻辑器件驱动方法这种设计方法就是利用 CPLD、FPGA 等可编程逻辑器件来产生时序驱动信号，硬件简单、调试方便、可靠性好，而且可以得到较高的驱动频率。同样也可在线调整驱动频率。电路设计完成以后，如果想更改驱动时序，只需将器件内部逻辑重新编程即可。以上 4 类方法中目前常用的是微处理器驱动方法(通常又称为“软件驱动” 法)和可编程逻辑器件驱动方法(又称“硬件驱动” 法)。由于在 CCD 应用系统中，一般都要用到微处理器，所以若采用“软件驱动”
4、法，则无需增加硬件，在电路结构上最为简单，系统成本也最低，因此，只要能克服其驱动频率低、资源浪费多、时序不均匀等缺点，无疑是一种理想的驱动方法。本文结合 TOSHIBA 公司的TCDl206 线阵 CCD，介绍如何利用8051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F300 来产生其要求的驱动时序。2 硬件设计如图 1 所示，虚线框内的电路构成 CCD 驱动处理板。安装在 CCD 相机内部。系统处理器采用美国 Silabs 公司推出的超微型高速 8 位单片机8051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F300，CCD
5、采用 TOSHIBA公司的高灵敏度线阵 CCD 图像传感器芯片 TCDl206，双电压供电的总线驱动器LVC4245 解决了单片机(3.3V)和 CCD(5V)二者之间的电平匹配。CCD 驱动脉冲由 8051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F300 提供，其像素输出电压经高速运放 AD8031 处理，由 U0 引脚引到外部，同时向外部提供像素同步信号 PS 和行同步信号 FS(由 PO6、P07 经 LVT245 总线驱动器所得)。U0、PS、FS 这 3 个信号供外部处理器采集 CCD 像元输出。另外，有时可能要在线调整 CCD 的某些参数(如驱动
6、频率、积分时间等)，为此设置了 RS232 串口与外部处理器进行通信。21 TCD1206TCD1206 是 TOSHIBA 公司生产的高灵敏度二相双沟道线阵 CCD 图像传感器芯片，2160 个有效像素点，像素频率为 0_32MHZ(本系统为 1MHz)，其驱动时序波形如图 2 所示。图 2 中：l、2 为像素脉冲，两者互为反相，RS 为复位脉冲SH 为光积分脉冲，OS 为像元输出，DOS 为像元补偿输出。当 SH 为低电平时，在 1、2交变后，OS 输出像元电压信号，随后发 RS 脉冲，以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷，为下一点像素电压输出做准备。各脉冲具体时序关系可参见参考文献。22 8
7、051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F3008051F.html“C8051F 系列单片机其 CPU 内核采用流水线结构，机器周期由标准8051 的 12 个系统时钟周期降为 1 个系统时钟周期，使其执行速度在相同晶振下是标准 8051 的 12 倍，处理能力大大提高，大部分 8051F.html“C8051F 单片机的峰值处理速度是 25M1PS，而 8051F.html“C8051F12X、13X 系列的峰值处理速度则达到了 100MIPS。8051F.html“C8051F 系列单片机功能齐全，性能优异，其整体性能超过很多目前的 16 位单片
8、机，甚至在一些低端应用中可取代低速的 16 位 DSP 器件，目前在仪器仪表、工业控制、嵌入式产品等领域日益得到广泛应用。8051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F300 是8051F.html“C8051F 系列中的超微型高速混合系统级单片机，是目前世界上最小封装的 8 位单片机，11 个引脚，封装在面积为 3ram3mm 的芯片上。内部集成了 3 个 16 位定时器、3 个可编程捕捉，比较模块、1 个 UART 串口、1 个 I2C串口、1 个 8 通道 500KSPS 采样率的 8 位 ADC、8KB 的 FLASH 程序存储器、256B的内部
9、 RAM、8 个 I/O 口，系统内部振荡时钟为 245MHZ(2)、最大峰值处理速度可达 25MIPS。 由图 2 可见，在 4 路 CCD 驱动脉冲中，对时序要求严格的是 1、2 和 RS，为此，利用 8051F.html“C8051F300.html“8051F.html“C8051F300 的可编程计数器阵列模块的 2 个可编程捕捉，比较模块输出口(CEXO、CEXl)自动产生l、2，以 CEXO 为基准点，再产生 RS 和其他脉冲。23 可编程计数器阵列(PCA)PCA 提供增强的定时器功能，由一个专用的 16 位计数器，定时器和 3 个 16 位捕捉，比较模块组成，每个捕捉/比较模
10、块有其自己的 IO 口(CEXn，n=l，2，3)。计数器，定时器的时基信号可在 6 个时钟源中选择：系统时钟、系统时钟4、系统时钟/12、外部振荡器时钟/8、定时器 0 溢出或 ECI输入引脚上的外部时钟信号。而每个捕捉，比较模块都可以被独立配置为 6 种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8 位 PWM和 16 位 PWM。由于 1、2(对应 CEXO、CEXl)是占空比为 50的方波，所以捕捉/比较模块0、1 工作在频率输出方式，这种工作方式可在 CEXn 引脚产生可编程频率的方波，其工作原理图如图 3 所示。当 PCA 计数器低字节与捕捉，比较寄存器低字节相同即
11、 PCAOL=PCAOCPLn 时，称为“比较匹配”，此时 CEXn 引脚电平翻转，同时捕捉/比较寄存器高字节即 PCAOL 与 PCAOCPHn 相加后的结果送入PCAOCPLn，以便下一次比较用。显然，只要改变 PCAOCPHn 的值，便可在 CEXn引脚上得到频率可调、占空比为 50的方渡，其频率由下式定义：fCEXn=fPCA/（2PCAOCPHn），其中：fPCA 是 PCA 计数器，定时器的时钟频率。3 软件设计为了得到时序严格的 ccD 驱动脉冲和外部输出同步脉冲，程序不是靠软件延时来达到合适宽度的脉冲，而是利用 PCA 模块本身强大的功能，用中断程序来完成各路脉冲，即开放捕捉，
12、比较模块 0 的“比较匹配”中断作为同步信号，并以此为基准点完成相应脉冲的每一次变化。3.1 CCD 驱动脉冲PCA 的 2 个捕捉，比较模块工作方式设置为如图 4 所示的频率输出方式。其输出引脚 CEX0、CEXl 的初始电平设置为 1、0，当 PCAOL 与 PCAOCPLn(n=O、1)“比较匹配”时，电平翻转，由此形成反相的 1、2 脉冲；而 HS 脉冲的产生，则是在捕捉/比较模块 O 的“比较匹配”中断程序中，即先对 RS(P02)置l，随后清零，这样就可产生 80ns 的 RS 脉冲(SETB bit 指令周期为 2 个时钟周期，即 80ns)。32 外部输出同步脉冲及像素电压行同
13、步信号 FS、像素同步信号 IX5 均设置为低电平有效，CCD 时序中 l、2交变后直到像素电压输出有一个延迟时间 tdly(典型值为 150ns)，但由于捕捉/比较模块 0“比较匹配”时，一方面 CEXO(1)翻转，一方面向 CPU 请求中断，而中断响应时间需 5 个时钟周期(200ns)，显然大于 tdly，所以进入中断后，不必考虑 tdly，可直接对 PS(P06)清零，待合适的时间后再将 PS 置 1这样就产生一个低电平有效的 PS 信号。CCD 像素输出 OS、DOS 经高速运放 AD8031 处理后，其外部输出像素电压 Uo 时序如图 4 所示。针对单片机在 CCD 时序驱动应用中存在的优缺点选用新型高速8051F.html“C8051F 单片机，实现 CCD 驱动电路，克服了单片机驱动方式存在的驱动频率低、系统资源浪费、时序间隔不均匀等缺点；具有硬件结构简单、调试编程方便、可在线调整驱动频率等优点。本文所介绍的驱动电路己应用于TCDl206，超微型的封装结构使其很容易与其他芯片一起嵌入在 CCD 相机中，系统运行可靠。声明:转载自:华胄公司
