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基于51单片机的线阵CCD驱动设计

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  • 发布时间:2014-09-06
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Design of linear CCD driver based on 5 1 single-chip processorTang Yajun -,Guo Xiqing ,Yang Jingxian -,Xie Guanbao -,Han Wenqin -,Zhu Han '(1.Academy of 0ptica1-Electric,Chinese Academy of Science,Beijing 100094,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100090,China)Abstract: Through the single-chip platform STC89C52, taking the 4 driving signals TCD1208AP and 6 driving signalsTCD1501D for example,the segmentation method is adopted to analyze the driving signals and to code.The programming and ex-perimental verification of linear CCD are completed using single cycle and double cycle instructions according to the number ofdriving signa1.The method can achieve high signal frequency and steady signal using high eficient 5 1 assembler instructions,fulydevelop the comprehensive perform ance of single"chip and linear CCD。

Key words:linear CCD;single-chip driver;segmentation method;STC89C52;TCD1208AP;TCD1501D近年来 ,随着半导体技术和大规模集成电路的发展,CCD图像传感器在功耗 、分辨率和动态范围等方面取得 了巨 大的进 步 。 目前 ,CCD图像 传感 器非 接 触式 测量技术 已广泛应用于尺寸测量 、图像传感、机器视觉 、文字扫描 等 领域Il1。

线 阵 CCD驱 动信 号 是 -组 关 系 复 杂 的周 期 性 脉 冲信号 ,它是决定信号积分时间、信噪比的关键因素 。目前 ,线 阵 CCD的驱 动 电路 主要 包 括专 用集 成 电路驱 动 、EPROM 驱 动 、可编程 逻辑 器件 驱动 、单 片机 驱动 等2。基于单 片机 的线 阵 CCD驱 动扩 展性 强 、功耗 小 、应 用 成本低 ,应用前景广阔。单片机驱动设计 中,难免要使用转移指令 ,但是由于单片机的转移指令 、位操作和端 口赋值指令的指令周期不 同及驱动信号的复杂性 ,如果驱动时序设计不 当,将难以满足 CCD驱动时序的高频率和稳定性要求 。因此 ,关于单片机线阵 CCD驱动时序分析和设计 方法 的研 究具 有深 刻 的意义 。

《微型机与应用》2013年 第32卷 第 12期1线 阵 CCD驱动设 计51系列单 片机 具有 低 功耗 、扩 展灵 活 、控 制 稳 定等特 点 ,是 目前 应 用 最广 泛 的单 片 机 。 因此 ,本 文 将利 用STC89C52单片机进行线阵 CCD驱动设计的研究。

CCD图像传感器采用光电效应 ,以感应电荷 为信号 ,在特 定驱 动 脉 冲作 用 下 ,实 现 信号 电荷 的存 储 和定向转移3。线 阵 CCD驱 动设计 中 ,所 采用 指令 的指 令周期 决定 了线 阵 CCD的驱 动频 率 的大 小 。具 体采 用 单周期 指令 还 是多 周期 指 令取 决 于线 阵 CCD驱 动信 号 的路数 和驱 动信号 间 的关 系 。

1.1线 阵 CCD的驱 动信 号线阵 CCD在驱动时序作用下完成了信号电荷 的存储、转移和输出。线阵 CCD的驱动信号包括转移脉冲(SH)、时钟脉冲(Q1,Q2)、复位脉冲(RS),部分线阵 CCD还包括采样保持脉冲(SP)和门限脉 冲(CP)。本文以东芝 4驱动TCD1208AP和 6驱 动 TCD1501D线 阵 CCD为例 ,研究 基欢 迎 网上 投 稿 ique and Method于 51单 片机 的线阵 CCD的驱动 设计 。

1.2硬 件 电路东芝系列线 阵 CCD驱动 信号基 于 rrL电平 ,与 51单片机 I/O电平兼容 ,高电平>4.5 V,低电平<0.5 V,因此可直接将单片机 I/O口与 CCD驱动接 口相连 ,如图 1所示 。当 电平不 能兼容 时 ,需 设计电平 转换 电路 。实 际应用 中 ,可加 入 反 相 器 或上 拉 电 阻 以提 高单片机驱动能力。

1.3软 件设计单 片 机 线 阵 CCD驱 动 设 计MCS5l CCDP0 QlPl Q2P2 RSP3 CPP4 SPP5 SH图 2 TCD1208AP驱 动 信 号 时序驱 动时序 设计需 分析 各信号 之 间的关系 。由图 2可知 ,复位脉 冲 RS的频率是时钟脉冲 Q1、Q2频率的 2倍 ,在满足复位信号 RS占空 比为 I:4的情况下[51,将驱动信号进行 8等分分割 ,得到驱动信号之间的时序关系如图 3所 示 。

图 3 TCD1208AP驱 动信 号 关 系 图TCD1208AP采用帧输出方式 ,每帧信号对应 l 106个时钟脉冲。利用 51单片机计数器对时钟脉冲 Q2的下降沿计数 ,当计数达到 1 106时 ,利用中断方式产生转移脉冲 SH。单片机与 TCDI208AP间的接 VI关系如图 1所示 。图 4是 TCD1208AP 4路驱动信号的状态转换图。

由图 4可知 ,除去 SH中断状态外 ,TCD1208AP驱动74图 4 TCD1208AP驱 动信 号 状 态转 换 图信号共有 8种状态。Ql和 Q2相位相反,周期是 RS的 2倍 ,SH由计数中断产生。程序设计中,采用位操作指令和 自加 自减指令实现信号间转换 ;驱动信号的周期切换采用 JBC跳转指令通过 RS信号的检测实现循环 。JBC指令寻址位为 l转移,选择 RS为检测位,需对状态转移图 中的信号 编码进行 取反操 作 。这样 实现 了驱动 信号 的转换均在单周期指令操作,与双周期指令相 比,驱动频率提高了-倍 。核心程序如下 :MOV P1,#OxFA ;驱动信号的初始状态LOOP: ;驱动信号 8状态间的循环程序段SETB P12DEC P1NOPCLR P1 2SETB P12INC PJBC P1 2,LOOPCT0:CLR P1 3M0V TH0.#0xFBM0V TL0.#OxAESETB P1 3RETI;转移脉冲 SH 中断处理程序;TH0(65536-2538)/256;TIJ0:(65536~2538)%2561.3.2 6驱动 TCD1501D时序 设计TCD1501D是-种高灵敏度 、低暗电流 、5 000像元的线 阵 CCD。与 TCD1208AP相 比,增加 了采样保持脉 冲 CP、门限脉 冲 两路 信号 。时序关 系如 图 5所示1 61。

Q1QlO2GlDsP fl4图5 TCD1501D驱动信 号时序TCD1501D驱动信 号设计 中 ,采用分 割法 ,在保 持 RS占空 比为 1:4的条件 下 ,8等分 分 割 TCD1501的 电荷 转移脉冲信号 Ql和Q2,形成驱动信号间的关系如图6所示。

《微型机与应用》2013年 第32卷 第 12期m 龟强 8罄Technique and Method图 6 TCD1501D驱 动 信号 关 系 图与 TCD1208AP类 似 ,TCD15OID利 用 帧输 出 方 式 完成信号输 出,每帧信号对应 2 538个时钟脉冲。SH在计数中断中产生。时钟脉冲 Q2的下降沿计数满 2 538时,产生转移脉冲 SH。TCD15OID与 51单 片机间接 口情况如 图 1所 示 。图 7是 TCD1501D 6路 驱 动信 号 的状态 转换 图 。

(-石 堕皇 (,-五 、--- 、)0o1101 011ll0)( )( 旦图 7 TCDI501D驱动信号状态转换 图由图 7可知 ,TCD1501D增加 了两路信号 CP和 SP,驱动信号问的变换至少包含两路信号的变换 ,无法再仅采用单周期 自加 自减指令和位操作指令控制单片机 I/O口产生驱动信号 ,只能选择双周期的 I/O端 口数据传送指令 进行 TCD1501D驱 动设计 ,核心程 序如 下 :LOOP: ;驱动信号 8状态间的循环程序段MOV P1,OxD9MOV P1.OxD5MOV P1,OxDEMOV P1.OxCEMOV P1,OxDAMOV P1,OxD6MOV P1,OxDDJBC P14.LOOPC1、D: ;转 移 脉 冲 SH 中断 处 理程 序SETB P1 5MOV THO,#OxF6 ;TH0(65536-2538)/256M0V TLO,#Ox14 ;TLO:(65536-2538)%256CLR P1 5RETI当 晶振 频 率 相 同时 ,与 TCD1208AP相 比 ,TCD1501D的驱 动频率 降低 -半 ,但 这不 影 响多数 非 接触 式测 量 的应 用要 求 。由上述 两例 驱动设 计 过程可 知 ,根据 CCD驱动信号数量的不同和驱动信号 的时序关 系设计驱动程序 ,能最大限度地提高信号 的驱动频率 ,充分发挥单片机 驱动 的优 势 。

2 实验结 果分 析STC89C52是 51单 片 机 中性 价 比 极 高 的 - 款 单 片机 ,最高工作频率为 35 MHz,6T/12T双工模式可选 ,作《微型机与应用》2013年 第32卷 第 l2期为线 阵 CCD驱 动 ,其 能满 足应 用 对 象对 高速 度 、低 功耗的要求 。

本 文选 择 STC89C52单 片机 作 为试验 平 台 ,采 用 keilC51平 台验 证 所设 计的时 序 的 正 确性 。试 验 中 ,采用24 MHz晶振 作 为 STC89C52外 部 晶振 ,选 用 6T双倍 速工 作模式 ,内部 机器周 期 0.25 s。该条 件下 ,TCD1208AP和 TCD1501D的时钟脉 冲频率分别达 到了 0.5 MHz和O.25 MHz的正 常工 作要求 。图 8和 图 9是 实际测 量 的时序 图。

几。 - 厂1 f1 厂~ .f1.f1. 几图 8 TCD1208AP实测驱动时序图~ 厂L 。

口]厂] 厂]厂]门广]厂]。 r].-1.厂]].1门几厂图 9 TCD1501D实测驱动时序图由 图 8和 图 9可 知 ,当转 移 脉 冲计 数发 生 中断 时 ,转移脉冲 SH发生跳变 ,说明采集完-帧图像数据。注意 ,SH 的高 电平保持时 间必须小于 Ql高 电平保持时间。实际应用中,CCD各信号需满足特定的时间参数要求 。表 1和 表 2是 TCD1208AP和 TCD1501D理论 时间参数 和实 验测 量参 数 的对 照表 ,表 中时 间符 号分 别 与 图 2和 图 5中的时 间符号 相对 应 。

可 以 看 H.宴 测 参 数 均 满 早弹 论 佰 孽 求 TCD150D表 1 TCD1208AP实测时序参数对照表欢 迎 网上 投 稿 ique and Method表 2 TCD1501D实测时序参数对照表的 RS脉冲宽度是 TCD1208AP的 RS脉 冲宽度的 2倍 ,充分 说 明驱 动 信号 单 周期 指令 运 行 速度 是 双周 期 指令的 2倍。因此 ,根据线阵 CCD驱动信号数量的不同和驱动信号的关系 ,合理采用分割法对信号进行分析和编码,科学选择单周期指令和双周期指令 ,能充分发挥单片机和线阵 CCD的综合性能,提高驱动信号的频率和稳定 性 。目前该 设计 方法 在某型 号精密位 置校 正装 置的CCD拈 中得 到成功 应用 。

本文采用 51单片机作为线阵 CCD的驱动控制器 ,很好 地满 足 了 CCD驱 动强 扩展 性 、高 速度 、低功 耗 的应用要求。设计中,根据线阵 CCD驱动信号数量和信号关系 的不 同 ,采用 分割 法对驱 动 时序进行 了分析 和编码 ,利用 51汇编指令完成驱动时序的科学编程,完成线阵CCD驱 动时 序的设计 。利用 STC89C52单 片机 ,以 4路 和6路 线 阵 CCD驱动设 计为例 ,提 出 了,多路 驱动 信号线 阵CCD驱动 设 计 的具体 方 法 。本 文对 驱 动时 序 进 行 了测试 ,验证 了实测参 数 的正 确性 。该方 法得 到 的驱动 时 序频率很好地满足了线阵 CCD的工作要求,稳定性好 ,为后 续 CCD驱动 开发指 明了方 向。

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