CCD应用电路中的一种基于单片机的新型线阵CCD电路图

接线图 2023年10月21日 13:22 167 admin

　　不同厂家、不同型号的CCD的驱动时序是不同的，加之对不同性能、不同应用场合的体积、成本、灵活性要求不同，于是产生了众多的驱动时序的产生方法，主要有直接数字电路驱动、单片机口驱动、EPROM驱动、专用IC驱动等常用的驱动时序的产生方法。但是它们存在着逻辑设计较为复杂、调试困难、柔性较差、驱动时钟低等缺点。

　　本文在综合各种驱动时序方法的基础上，提出了的一种基于单片机的新型驱动电路。该电路使用独立的时钟源产生精确的时钟脉冲，采用可编程定时计数芯片和单片机控制相结合的方法，使电路产生稳定、精确、高速的驱动脉冲，该电路结构简单、调试方便、CPU占用率低，降低了系统的总体成本，而且具有良好的柔性，只需要改变驱动软件就可以应用于不同的CCD芯片，更适合于工业测量用途。

　　驱动电路基本组成

　　基于单片机的新型线阵CCD驱动电路主要由脉冲发生电路、分频电路、控制电路、脉宽调制电路等组成，如图1所示。

　　通常时钟脉冲可取自以下途径：单片机XTAL端、ALE端、独立脉冲源。其中取自XTAL端时，经分频电路得到的脉冲频率受限制；取自ALE端的脉冲在单片机访问外部存储器的时候丢失，精度受影响；而取自独立脉冲源的脉冲因其独立性而精度较高，且所产生的脉冲频率可自由选择，稳定性好，因此本驱动电路选用独立脉冲源。

　　分频电路可以选用D触发器/JK触发器，如74LS(HC)74、74LS(HC)76，均带置位、清零端，较易控制；也可以选用计数器，如74LS (HC)163(可预置)，8253(2MHZ可编程)，82(C)54(10MHZ可编程)。为了便于调试和增加系统的柔性，本驱动电路选用具有较高频率的82C54，它含有3个16位减法计数器， 6种工作方式。其中工作方式2时，起频率发生器的作用，CLK端输入脉冲使计数器减1，计数器减到1时停止计数，并使OUT端输出负脉冲；方式3起方波发生器作用，[(N+1)/2]计数完成之前为高电平，对余下的[(N-1)/2]计数时输出低电平。

　　控制电路主要由单片机AT89C51及逻辑门电路组成。AT89C51最高工作频率达24MHz，内含4KB的Flash存储器。用于82C54的初始化、控制计数脉冲的通断、计数器的启动、停止及完成系统中其它任务。

　　脉宽调制电路主要由阻容电路、单稳态电路(如74LS/HC123)组成。该电路主要用于调整各驱动脉冲之间的相位关系。74LS(HC)123是可重触发单稳态触发器。在触发脉冲的上升沿(接B端)或下降沿(接A端)的作用下，输出Q为高电平，经过延时Tw后，输出Q返回低电平；如果输出高电平期间，触发脉冲又到来，则高电平又会从此刻延时Tw，因此如果触发脉冲在高电平期间不断到来，则高电平将要被无限期的延迟，即输出为高电平；当外接电阻为R且电容 C>1000pF时，Tw=0.45 * R *C 。

CCD应用电路中的一种基于单片机的新型线阵CCD电路图第1张

　　图1驱动电路原理图

　　系统实例

　　系统组成

　　本系统用于测量螺旋桨转动过程中的桨叶的偏振角。由于螺旋桨具有刚性，其转动过程中不仅存在摆动，而且存在振动，对其偏摆角的测量需要在螺旋桨转动过程中采集其瞬态的位置，利用CCD的成像特性，将螺旋桨瞬态的位置信息通过CCD成像，光信号转换为电荷信号，经过信号处理电路，转化为数字信号，传输给CPU处理。系统框图如图2所示。

　　系统中的光源可以选用有源光源或自然光，根据测试现场环境、安装空间、体积等因素综合考虑；光学系统可根据测试现场的尺寸要求及视场要求，根据几何光学公式计算选定；CCD选用日本东芝公司的TCD1500C，测量精度和分辨率都很高，内有驱动器和采样保持电路，输出可以直接取除了调幅脉冲成分的视频信号，并且只需3路驱动信号：SH、Φ、RS；信号处理电路用于对CCD输出的视频信号进行滤波、放大、二值化、采样等处理，便于DSP处理；主处理器采用数字信号处理器DSP，它是一种高性能的单片机，内部结构采用改进的哈佛结构，具有多条数据、地址总线，可同时访问数据和程序存储器，其多级深度流水线，可以预先装载多达八级指令，指令执行速度可达300MIPS~10GIPS(内有多并行CPU)，正广泛应用于测试、信号处理、通讯等大运算量的领域，可作为协处理器(大型系统)，也可以作为主处理器(中小型系统)，并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以与上位机和下位机通讯。

　　驱动实例

　　* 驱动时序要求及实现

　　TCD1500C的驱动时序如图3-(a)所示，其工作频率≤8MHz，取 fF=1MHz,fRS=2MHz，TSH≥(5340+64+12)/2ms。其中图3-(b)时序由图1-(b)实现，由单片机强制置位，以满足电荷向移位寄存器转移；图3-(c)时序由图1-(d)实现，其中Re选用精密可调电阻，Ce>1000pF，延迟时间由公式Tw=0.45 * R *C 决定，也可以在示波器上观察调制。

　　驱动电路工作过程如下：上电初始时，控制与分频电路中的单片机AT89C51 开相应中断，对各控制引脚设定初始状态电平。接着对82C54计数器进行初始化，设定82C54的工作方式：定时器1和定时器2工作于方式3(方波发生器)，定时器2工作于方式4(软件触发方式)，并写入初值，然后89C51等待主机的指令-开始测量，则使82C54开始工作，产生驱动脉冲。当产生一个完整的积分周期的驱动脉冲后，89C51停止产生驱动脉冲，等待主机的指令。当CCD第一帧视频信号有效时，经信号处理电路的一系列处理后，可以在同步脉冲作用下对输出的视频信号进行A/D转换，也可以用高频脉冲计数二值化后的脉冲宽度，通过通讯将得到的数据送给主机处理，主机将测量的结果存入存储器或直接传给上位PC机，然后给89C51发开始命令，驱动下一帧视频信号，如此往复直至结束。

　　* 驱动电路的软件编程

　　脉冲发生电路产生4MHz的方波脉冲，将它通过图1-(b)分频电路的两次分频，得到1MHz的方波脉冲。图1-(b)所示时序通过P1.1控制，从而产生f脉冲；定时器0计数脉冲取自产生f脉冲的第一个分频器的输出(2MHz)，其计数初始值>(5340+64+12)ms，从而产生SH脉冲;通过把f作为定时器1的计数脉冲, 计数初始值=2,再将OUT1的输出接到脉宽调制电路即可得到RS脉冲。至此，CCD工作所需要的驱动脉冲全部得到。

　　89C51产生驱动脉冲的部分程序见网站

CCD应用电路中的一种基于单片机的新型线阵CCD电路图第2张