如何設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路？

不同廠家、不同型號(hào)的CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是不同的，加之對(duì)不同性能、不同應(yīng)用場(chǎng)合的體積、成本、靈活性要求不同，于是產(chǎn)生了眾多的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法，主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)口驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)、專用IC驅(qū)動(dòng)等常用的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法。但是它們存在著邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、柔性較差、驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘低等缺點(diǎn)。

本文在綜合各種驅(qū)動(dòng)時(shí)序方法的基礎(chǔ)上，提出了的一種基于單片機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)電路。該電路使用獨(dú)立的時(shí)鐘源產(chǎn)生精確的時(shí)鐘脈沖，采用可編程定時(shí)計(jì)數(shù)芯片和單片機(jī)控制相結(jié)合的方法，使電路產(chǎn)生穩(wěn)定、精確、高速的驅(qū)動(dòng)脈沖，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、CPU占用率低，降低了系統(tǒng)的總體成本，而且具有良好的柔性，只需要改變驅(qū)動(dòng)軟件就可以應(yīng)用于不同的CCD芯片，更適合于工業(yè)測(cè)量用途。

驅(qū)動(dòng)電路基本組成

基于單片機(jī)的新型線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路主要由脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制電路、脈寬調(diào)制電路等組成，如圖1所示。

通常時(shí)鐘脈沖可取自以下途徑：?jiǎn)纹瑱C(jī)XTAL端、ALE端、獨(dú)立脈沖源。其中取自XTAL端時(shí)，經(jīng)分頻電路得到的脈沖頻率受限制；取自ALE端的脈沖在單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器的時(shí)候丟失，精度受影響；而取自獨(dú)立脈沖源的脈沖因其獨(dú)立性而精度較高，且所產(chǎn)生的脈沖頻率可自由選擇，穩(wěn)定性好，因此本驅(qū)動(dòng)電路選用獨(dú)立脈沖源。

分頻電路可以選用D觸發(fā)器/JK觸發(fā)器，如74LS（HC）74、74LS（HC）76，均帶置位、清零端，較易控制；也可以選用計(jì)數(shù)器，如74LS （HC）163（可預(yù)置），8253（2MHZ可編程），82（C）54（10MHZ可編程）。為了便于調(diào)試和增加系統(tǒng)的柔性，本驅(qū)動(dòng)電路選用具有較高頻率的82C54，它含有3個(gè)16位減法計(jì)數(shù)器， 6種工作方式。其中工作方式2時(shí)，起頻率發(fā)生器的作用，CLK端輸入脈沖使計(jì)數(shù)器減1，計(jì)數(shù)器減到1時(shí)停止計(jì)數(shù)，并使OUT端輸出負(fù)脈沖；方式3起方波發(fā)生器作用，［（N+1）/2］計(jì)數(shù)完成之前為高電平，對(duì)余下的［（N-1）/2］計(jì)數(shù)時(shí)輸出低電平。

控制電路主要由單片機(jī)AT89C51及邏輯門(mén)電路組成。AT89C51最高工作頻率達(dá)24MHz，內(nèi)含4KB的Flash存儲(chǔ)器。用于82C54的初始化、控制計(jì)數(shù)脈沖的通斷、計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)、停止及完成系統(tǒng)中其它任務(wù)。

脈寬調(diào)制電路主要由阻容電路、單穩(wěn)態(tài)電路（如74LS/HC123）組成。該電路主要用于調(diào)整各驅(qū)動(dòng)脈沖之間的相位關(guān)系。74LS（HC）123是可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在觸發(fā)脈沖的上升沿（接B端）或下降沿（接A端）的作用下，輸出Q為高電平，經(jīng)過(guò)延時(shí)Tw后，輸出Q返回低電平；如果輸出高電平期間，觸發(fā)脈沖又到來(lái)，則高電平又會(huì)從此刻延時(shí)Tw，因此如果觸發(fā)脈沖在高電平期間不斷到來(lái)，則高電平將要被無(wú)限期的延遲，即輸出為高電平；當(dāng)外接電阻為R且電容 C》1000pF時(shí)，Tw=0.45 * R *C 。

圖1驅(qū)動(dòng)電路原理圖

系統(tǒng)實(shí)例

系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)用于測(cè)量螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的槳葉的偏振角。由于螺旋槳具有剛性，其轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中不僅存在擺動(dòng)，而且存在振動(dòng)，對(duì)其偏擺角的測(cè)量需要在螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中采集其瞬態(tài)的位置，利用CCD的成像特性，將螺旋槳瞬態(tài)的位置信息通過(guò)CCD成像，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，傳輸給CPU處理。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)中的光源可以選用有源光源或自然光，根據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、安裝空間、體積等因素綜合考慮；光學(xué)系統(tǒng)可根據(jù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的尺寸要求及視場(chǎng)要求，根據(jù)幾何光學(xué)公式計(jì)算選定；CCD選用日本東芝公司的TCD1500C，測(cè)量精度和分辨率都很高，內(nèi)有驅(qū)動(dòng)器和采樣保持電路，輸出可以直接取除了調(diào)幅脈沖成分的視頻信號(hào)，并且只需3路驅(qū)動(dòng)信號(hào)：SH、Φ、RS；信號(hào)處理電路用于對(duì)CCD輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、二值化、采樣等處理，便于DSP處理；主處理器采用數(shù)字信號(hào)處理器DSP，它是一種高性能的單片機(jī)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，具有多條數(shù)據(jù)、地址總線，可同時(shí)訪問(wèn)數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器，其多級(jí)深度流水線，可以預(yù)先裝載多達(dá)八級(jí)指令，指令執(zhí)行速度可達(dá)300MIPS~10GIPS（內(nèi)有多并行CPU），正廣泛應(yīng)用于測(cè)試、信號(hào)處理、通訊等大運(yùn)算量的領(lǐng)域，可作為協(xié)處理器（大型系統(tǒng)），也可以作為主處理器（中小型系統(tǒng)），并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以與上位機(jī)和下位機(jī)通訊。

驅(qū)動(dòng)實(shí)例

* 驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求及實(shí)現(xiàn)

TCD1500C的驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖3-（a）所示，其工作頻率≤8MHz，取 fF=1MHz，fRS=2MHz，TSH≥（5340+64+12）/2ms。其中圖3-（b）時(shí)序由 圖1-（b）實(shí)現(xiàn)，由單片機(jī)強(qiáng)制置位，以滿足電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移；圖3-（c）時(shí)序由 圖1-（d）實(shí)現(xiàn)，其中Re選用精密可調(diào)電阻，Ce》1000pF，延遲時(shí)間由公式Tw=0.45 * R *C 決定，也可以在示波器上觀察調(diào)制。

驅(qū)動(dòng)電路工作過(guò)程如下：上電初始時(shí)，控制與分頻電路中的單片機(jī)AT89C51 開(kāi)相應(yīng)中斷，對(duì)各控制引腳設(shè)定初始狀態(tài)電平。接著對(duì)82C54計(jì)數(shù)器進(jìn)行初始化，設(shè)定82C54的工作方式：定時(shí)器1和定時(shí)器2工作于方式3（方波發(fā)生器），定時(shí)器2工作于方式4（軟件觸發(fā)方式），并寫(xiě)入初值，然后89C51等待主機(jī)的指令-開(kāi)始測(cè)量，則使82C54開(kāi)始工作，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。當(dāng)產(chǎn)生一個(gè)完整的積分周期的驅(qū)動(dòng)脈沖后，89C51停止產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖，等待主機(jī)的指令。當(dāng)CCD第一幀視頻信號(hào)有效時(shí)，經(jīng)信號(hào)處理電路的一系列處理后，可以在同步脈沖作用下對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，也可以用高頻脈沖計(jì)數(shù)二值化后的脈沖寬度，通過(guò)通訊將得到的數(shù)據(jù)送給主機(jī)處理，主機(jī)將測(cè)量的結(jié)果存入存儲(chǔ)器或直接傳給上位PC機(jī)，然后給89C51發(fā)開(kāi)始命令，驅(qū)動(dòng)下一幀視頻信號(hào)，如此往復(fù)直至結(jié)束。

* 驅(qū)動(dòng)電路的軟件編程

脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生4MHz的方波脈沖，將它通過(guò)圖1-（b）分頻電路的兩次分頻，得到1MHz的方波脈沖。圖1-（b）所示時(shí)序通過(guò)P1.1控制，從而產(chǎn)生f脈沖；定時(shí)器0計(jì)數(shù)脈沖取自產(chǎn)生f脈沖的第一個(gè)分頻器的輸出（2MHz）， 其計(jì)數(shù)初始值》（5340+64+12）ms，從而產(chǎn)生SH脈沖;通過(guò)把f作為定時(shí)器1的計(jì)數(shù)脈沖， 計(jì)數(shù)初始值=2，再將OUT1的輸出接到脈寬調(diào)制電路即可得到RS脈沖。至此，CCD工作所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖全部得到。

89C51產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖的部分程序見(jiàn)網(wǎng)站

圖3 TCD1500C驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序

結(jié)語(yǔ)

該驅(qū)動(dòng)電路綜合了直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法具有較高的驅(qū)動(dòng)頻率和單片機(jī)口驅(qū)動(dòng)方法靈活性特點(diǎn)，還具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低、軟件編程靈活、可直接方便的受主處理器控制等特點(diǎn)，而且在實(shí)際使用中穩(wěn)定可靠，具有一定的實(shí)用價(jià)值。