摘  要： 通過STC89C52單片機(jī)平臺(tái)，以4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的TCD1208AP和6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的TCD1501D為例，采用分割法對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了分析與編碼。根據(jù)線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量的不同，分別采用單周期和雙周期指令完成了驅(qū)動(dòng)時(shí)序的編程實(shí)現(xiàn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該方法應(yīng)用高執(zhí)行效率的51匯編指令，驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率高、穩(wěn)定性好，充分發(fā)揮了單片機(jī)和線陣CCD的綜合性能。
關(guān)鍵詞： 線陣CCD；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)；分割法；STC89C52；TCD1208AP；TCD1501D

    近年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，CCD圖像傳感器在功耗、分辨率和動(dòng)態(tài)范圍等方面取得了巨大的進(jìn)步。目前，CCD圖像傳感器非接觸式測(cè)量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于尺寸測(cè)量、圖像傳感、機(jī)器視覺、文字掃描等領(lǐng)域[1]。
    線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)是一組關(guān)系復(fù)雜的周期性脈沖信號(hào)，它是決定信號(hào)積分時(shí)間、信噪比的關(guān)鍵因素。目前，線陣CCD的驅(qū)動(dòng)電路主要包括專用集成電路驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)、可編程邏輯器件驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)等[2]。基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展性強(qiáng)、功耗小、應(yīng)用成本低，應(yīng)用前景廣闊。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，難免要使用轉(zhuǎn)移指令，但是由于單片機(jī)的轉(zhuǎn)移指令、位操作和端口賦值指令的指令周期不同及驅(qū)動(dòng)信號(hào)的復(fù)雜性，如果驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)不當(dāng)，將難以滿足CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的高頻率和穩(wěn)定性要求。因此，關(guān)于單片機(jī)線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析和設(shè)計(jì)方法的研究具有深刻的意義。
1 線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)
    51系列單片機(jī)具有低功耗、擴(kuò)展靈活、控制穩(wěn)定等特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)。因此，本文將利用STC89C52單片機(jī)進(jìn)行線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的研究。
    CCD圖像傳感器采用光電效應(yīng)，以感應(yīng)電荷為信號(hào)，在特定驅(qū)動(dòng)脈沖作用下，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的存儲(chǔ)和定向轉(zhuǎn)移[3]。線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，所采用指令的指令周期決定了線陣CCD的驅(qū)動(dòng)頻率的大小。具體采用單周期指令還是多周期指令取決于線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的路數(shù)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的關(guān)系。
1.1 線陣CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)
    線陣CCD在驅(qū)動(dòng)時(shí)序作用下完成了信號(hào)電荷的存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移和輸出。線陣CCD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括轉(zhuǎn)移脈沖(SH)、時(shí)鐘脈沖(Q1，Q2)、復(fù)位脈沖(RS)，部分線陣CCD還包括采樣保持脈沖(SP)和門限脈沖(CP)。本文以東芝4驅(qū)動(dòng)TCD1208AP和6驅(qū)動(dòng)TCD1501D線陣 CCD為例，研究基于51單片機(jī)的線陣CCD的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

    TCD1208AP采用幀輸出方式，每幀信號(hào)對(duì)應(yīng)1 106個(gè)時(shí)鐘脈沖。利用51單片機(jī)計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖Q2的下降沿計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到1 106時(shí)，利用中斷方式產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖SH。單片機(jī)與TCD1208AP間的接口關(guān)系如圖1所示。圖4是TCD1208AP 4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    由圖4可知，除去SH中斷狀態(tài)外，TCD1208AP驅(qū)動(dòng)信號(hào)共有8種狀態(tài)。Q1和Q2相位相反，周期是RS的2倍，SH由計(jì)數(shù)中斷產(chǎn)生。程序設(shè)計(jì)中，采用位操作指令和自加自減指令實(shí)現(xiàn)信號(hào)間轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)信號(hào)的周期切換采用JBC跳轉(zhuǎn)指令通過RS信號(hào)的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)循環(huán)。JBC指令尋址位為1轉(zhuǎn)移，選擇RS為檢測(cè)位，需對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的信號(hào)編碼進(jìn)行取反操作。這樣實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)換均在單周期指令操作，與雙周期指令相比，驅(qū)動(dòng)頻率提高了一倍。核心程序如下：
    MOV P1,#0xFA    ；驅(qū)動(dòng)信號(hào)的初始狀態(tài)
LOOP：                ；驅(qū)動(dòng)信號(hào)8狀態(tài)間的循環(huán)程序段
    SETB P1^2
    DEC P1
    NOP
    CLR P1^2
    SETB P1^2
    INC P1
    JBC    P1^2,LOOP
CT0：                ；轉(zhuǎn)移脈沖SH中斷處理程序
    CLR P1^3
    MOV TH0,#0xFB    ；TH0=（65536-2538）/256
    MOV TL0,#0xAE    ；TL0=（65536-2538）%256
    SETB P1^3
    RETI

    TCD1501D驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)中，采用分割法，在保持RS占空比為1:4的條件下，8等分分割TCD1501的電荷轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)Q1和Q2，形成驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的關(guān)系如圖6所示。

    由圖7可知，TCD1501D增加了兩路信號(hào)CP和SP，驅(qū)動(dòng)信號(hào)間的變換至少包含兩路信號(hào)的變換，無法再僅采用單周期自加自減指令和位操作指令控制單片機(jī)I/O口產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只能選擇雙周期的I/O端口數(shù)據(jù)傳送指令進(jìn)行TCD1501D驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，核心程序如下：
LOOP：                ；驅(qū)動(dòng)信號(hào)8狀態(tài)間的循環(huán)程序段
    MOV P1,0xD9
    MOV P1,0xD5
    MOV P1,0xDE
    MOV P1,0xCE
    MOV P1,0xDA
    MOV P1,0xD6
    MOV P1,0xDD
    JBC    P1^4,LOOP
CT0：                ；轉(zhuǎn)移脈沖SH中斷處理程序
    SETB P1^5
    MOV TH0,#0xF6    ；TH0=（65536-2538）/256
    MOV TL0,#0x14    ；TL0=（65536-2538）%256
    CLR P1^5
    RETI
    當(dāng)晶振頻率相同時(shí)，與TCD1208AP相比，TCD1501D的驅(qū)動(dòng)頻率降低一半，但這不影響多數(shù)非接觸式測(cè)量的應(yīng)用要求。由上述兩例驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程可知，根據(jù)CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量的不同和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序，能最大限度地提高信號(hào)的驅(qū)動(dòng)頻率，充分發(fā)揮單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    STC89C52是 51單片機(jī)中性價(jià)比極高的一款單片機(jī)，最高工作頻率為35 MHz，6T/12T雙工模式可選，作為線陣CCD驅(qū)動(dòng)，其能滿足應(yīng)用對(duì)象對(duì)高速度、低功耗的要求。
    本文選擇STC89C52單片機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)，采用keil C51平臺(tái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的時(shí)序的正確性。試驗(yàn)中，采用24 MHz晶振作為STC89C52外部晶振，選用6T雙倍速工作模式，內(nèi)部機(jī)器周期0.25 ?滋s。該條件下，TCD1208AP和TCD1501D的時(shí)鐘脈沖頻率分別達(dá)到了0.5 MHz和0.25 MHz的正常工作要求。圖8和圖9是實(shí)際測(cè)量的時(shí)序圖。
    由圖8和圖9可知，當(dāng)轉(zhuǎn)移脈沖計(jì)數(shù)發(fā)生中斷時(shí)，轉(zhuǎn)移脈沖SH發(fā)生跳變，說明采集完一幀圖像數(shù)據(jù)。注意，SH的高電平保持時(shí)間必須小于Q1高電平保持時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，CCD各信號(hào)需滿足特定的時(shí)間參數(shù)要求。表1和表2是TCD1208AP和TCD1501D理論時(shí)間參數(shù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量參數(shù)的對(duì)照表，表中時(shí)間符號(hào)分別與圖2和圖5中的時(shí)間符號(hào)相對(duì)應(yīng)。

    可以看出，實(shí)測(cè)參數(shù)均滿足理論值要求。TCD1501D的RS脈沖寬度是TCD1208AP的RS脈沖寬度的2倍，充分說明驅(qū)動(dòng)信號(hào)單周期指令運(yùn)行速度是雙周期指令的2倍。因此，根據(jù)線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量的不同和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，合理采用分割法對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和編碼，科學(xué)選擇單周期指令和雙周期指令，能充分發(fā)揮單片機(jī)和線陣CCD的綜合性能，提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和穩(wěn)定性。目前該設(shè)計(jì)方法在某型號(hào)精密位置校正裝置的CCD模塊中得到成功應(yīng)用。
    本文采用51單片機(jī)作為線陣CCD的驅(qū)動(dòng)控制器，很好地滿足了CCD驅(qū)動(dòng)強(qiáng)擴(kuò)展性、高速度、低功耗的應(yīng)用要求。設(shè)計(jì)中，根據(jù)線陣CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)數(shù)量和信號(hào)關(guān)系的不同，采用分割法對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序進(jìn)行了分析和編碼，利用51匯編指令完成驅(qū)動(dòng)時(shí)序的科學(xué)編程，完成線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)。利用STC89C52單片機(jī)，以4路和6路線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)為例，提出了多路驅(qū)動(dòng)信號(hào)線陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的具體方法。本文對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序進(jìn)行了測(cè)試，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)參數(shù)的正確性。該方法得到的驅(qū)動(dòng)時(shí)序頻率很好地滿足了線陣CCD的工作要求，穩(wěn)定性好，為后續(xù)CCD驅(qū)動(dòng)開發(fā)指明了方向。
參考文獻(xiàn)
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