单片机一维线阵CCD采集毕业论文

本 科 毕 业 论 文（2012 届）题 目 单片机一维线阵 CCD 采集学 院 理学院专 业 光信息科学与技术班 级学 号学生姓名指导教师完成日期杭州电子科技大学本科毕业论文摘 要本文研究了线阵 CCD（电荷耦合器件）驱动控制技术的开发，对软件、硬件原理功能及其实现分别进行了讨论。本课题采用了东芝系列 TCD1206SUP，设计了 CCD 驱动电路。在本设计中，驱动电路的核心部分是时序脉冲产生电路，采用 Microchip 公司的PIC16F877A 来完成这部分电路的设计，实现了该驱动系统的可靠性，灵活性特点。本系统使用 PIC 单片机根据所选器件的类型和特点编写程序，产生 CCD 工作所需的复杂驱动时序。设计完成后，对程序进行编译、时序仿真、调试、下载，最后经过实际电路产生波形通过数字示波器检验驱动波形，观察输出波形。关键词：线阵 CCD；PIC 单片机；驱动时序杭州电子科技大学本科毕业论文AbstractThis paper studies the linear array CCD (Charge Coupled Device) drive the development of control technology, the software, hardware schematics function and its implementation ware discussed. This topic using the Toshiba series TCD1206SUP designed CCD drive circuit.In this design, the core part of the drive circuit is the timing pulse generating circuit using Microchips PIC16F877A to complete this part of the circuit design to achieve the reliability of the drive system, the flexibility characteristics.This system uses a PIC microcontroller programming based on the type and characteristics of the selected device, resulting in a complexity-driven timing of the CCD required. The design is complete, compile the program, timing simulation, debugging, downloading, and finally after the actual circuit to generate the drive waveform of the waveform by a digital oscilloscope test, observe the output waveform.Keywords: linear array CCD; the PIC microcontroller; driven timing杭州电子科技大学本科毕业论文目 录第一章 绪论 .11.1 本课题研究的意义.11.2 本课题研究内容及主要工作.2第二章 CCD 基本原理、特性、驱动及应用 .32.1 CCD 基本原理 3,4 .32.1.1 电荷的产生.32.1.2 电荷的存储.42.1.3 电荷的转移.52.1.4 电荷的输出.52.2 CCD 主要特性 5,6,7 .62.3 CCD 驱动电路分析 .72.4 CCD 技术的应用 .9第三章 系统硬件 .103.1 PIC16F877A 单片机 8,9 .103.2 线阵 CCD 驱动时序 10.133.2.1 TCD1206SUP 简介 .133.2.2 TCD1206SUP 驱动脉冲时序 .16第四章 基于 PIC 的线阵 CCD 驱动设计 .204.1 驱动程序设计.204.1.1 驱动时序分析.204.1.3 汇编语言程序设计及问题.224.2 驱动电路及实际波形.24第五章 线阵 CCD 输出信号处理 .27第六章 总结与展望 .286.1 总结.286.2 展望.28致 谢.30参考文献.31附 录.32杭州电子科技大学本科毕业论文1绪论1.1本课题研究的意义CCD（Charge Coupled Device） ，即电荷耦合器件，是 70 年代初发展起来的以电荷包的形式存储和传递信息的新型半导体器件。它是由美国贝尔实验室的 W.S.Boyle 和G.E.Smith 于 20 世纪 70 年代首先提出的，是在大规模硅集成电路工艺的基础上研制而成的模拟集成电路芯片。由于 CCD 具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、高分辨率、高灵敏度、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、与计算机接口容易等诸多优点。致使 CCD 在精密测量、非接触无损检测、扫描图像与航空遥感等领域中，发挥着重要的作用 1随着半导体微电子技术的迅猛发展，CCD 技术研究取得了惊人的进展。近年来的应用已深入到各个领域，可以说是跨行业、跨专业、多方面应用的一种光电产品。线阵 CCD 主要应用在在线测量方面，由于国外在技术的基础研究上起步较早，相应的应用领域内的研究也取得了很大的成就。尤其是美国和日本等工业发达国家，无论是从研究水平、应用范围还是测量精度上仍领先于我国的发展水平。随着我国经济的大力发展，在工业和民用两个方面对 CCD 技术应用的需求呈现出迅猛上升的趋势。基于 CCD 的技术研究和应用也有了很大的发展，应用领域也不断趋于广泛。例如，在钢铁行业中，为了保障钢材的产品质量往往要对钢管内外径或钢材宽度进行实时在线检测，利用线阵 CCD 和单片机组成的光学测量系统测量钢管内外径，系统分辨率采用线阵 CCD 扫描，实现图像实时处理、缺陷分类，达到对钢板表面缺陷的计算机视觉无损在线检测;在机械高速加工系统的工程技术应用中，利用线阵 CCD技术设计了一种新型光学瞬时转速测量系统；在浮法玻璃生产中，利用半导体激光和线阵 CCD 组成了能在高温条件下工作的玻璃厚度在线测量系统。在民用方面，为了能更有效地剔除烟叶中的杂物，利用 CCD 技术分别从上下两个方向获取图像，然后对图像进行处理，尽量避免烟叶的遮挡给杂物剔除带来的影响。在军事应用方面，弹药除锈后的质量关系到弹药储运和使用安全，利用线阵 CCD 拼接技术设计了对除锈后弹药进行非接触质量检测的方法 2。总的来说，我们国内在 CCD 技术的基础应用研究方面还有待深入，应用范围和应用水平也与国外有所差距。当然，也要通过不断吸取和借鉴国外应用的成熟经验来提高我们国内的应用水平，对线阵 CCD 技术的基础研究应该依据技术发展的特点和发展的趋势予以重视和加强。在用 CCD 构成测量系统之前，需要驱动 CCD 正常工作并对其输出信号进行 A/D转换处理，其中存在的几个问题和要求：a不同型号的 CCD 的驱动时序脉冲都有所不同，频率也有所不同，但一般都在零点几兆赫兹左右。杭州电子科技大学本科毕业论文2b在某些 CCD 采集光强度足够的场合中，若要求测量的速度达到几百 Hz 或1KHz 以上时， CCD 的光积分时间或帧周期要求为几个 ms 或低于 1ms。要在如此短的时间内完成几千个数据的采集及计算，需要高速的数据采集及处理。1.2本课题研究内容及主要工作本课题基于东芝的一款线阵 CCD 产品，对线阵 CCD 驱动控制技术的开发研究，设计了一个完整的 CCD 驱动电路来驱动 CCD 进行数据采集。本文主要进行以下几个方面的工作。1）在深入了解，尤其是线阵 CCD 的结构和工作原理、特性的基础上，选择合适的系统设计方案。2）了解东芝线阵 CCD 产品的相关时序驱动信号的定义和驱动信号之间的时序关系。3）根据 CCD 产品的驱动时序，利用 C 语言或汇编语言，完成在 PIC 单片机上的线阵 CCD 器件复杂驱动程序设计。4）根据 CCD 产品的特征参数，利用 protel 进行线阵 CCD 器件复杂驱动电路设计，利用 proteus 进行时序电路的仿真和验证。5）将得到的仿真波形，对比 CCD 产品手册，验证设计的合理性。杭州电子科技大学本科毕业论文3CCD 基本原理、特性、驱动及应用2.1 CCD基本原理 3,4CCD 的工作原理主要可以分为信号电荷的产生、存储、转移和输出。一个完整的CCD 器件由光敏二极管、转移栅、转移寄存器及一些辅助输入、输出电路组成，如图2.1 所示：图 2.1 CCD 电路组成CCD 工作时，在设定的积分时间内由光敏二极管对光信号进行取样，将光的强弱转换为各光敏二极管的电荷多少。取样结束后各光敏二极管中的电荷从转移栅转移到移位寄存器的相应单元中，移位寄存器在驱动时钟的作用下，将信号电荷按次序转移到输出端。将输出信号接到图像显示器或者其他信号存储、处理设备中，就可对信号再现或者进行存储处理。由于 CCD 光敏二极管可做得很小（约 10m） ，所以它的图像分辨率可以做得很高。2.1.1 电荷的产生当光入射到 CCD 的光敏面时，就会产生光电荷。CCD 在某一时刻所获得的光电荷与前期所产生的光电荷进行累加，称为电荷积分。入射光越强，通过电荷积分所得到的光电荷量就越大。光电荷产生的方法主要分为光注入和电注入两种。通常的 CCD 图像采集板一般采用光注入方式。当光照射到 CCD 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又分为正面照射式和背面照射式。它具有较高的入射光量子效率和成像灵敏度，可以实现微光成像。光敏二极管转移栅移位寄存器 输出电路1 2 SH杭州电子科技大学本科毕业论文42.1.2 电荷的存储构成 CCD 的基本单元是 MOS（金属- 氧化物-半导体）结构。如图 2.2（a ）所示，在栅极 G 电压为零时，P 型半导体的空穴（多数载流子）的分布是均匀的。当施加下偏压 UG（此时 UG 小于 P 型半导体的阀值电压 UTH） ，如图 2.2（b）所示，空穴被排斥，产生耗尽区。电压继续增加，则耗尽区将进一步向半导体内延伸。称半导体与绝缘体界面上的电势为表面势，用 s 表示，当 UGUTH 时， S 变得很高，以致于将半导体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层薄的电荷包，但电荷浓度很高的反型层，如图 2.2（c ）所示。反型层电荷的存在表明了 MOS 机构存储电荷的功能。图 2.2 单个 CCD 栅极电压变化对耗尽区的影响表面势 S 与反型层的电荷浓度 QINV、栅极电压 UG 有关。 S 与 QINV 有着良好的反比例线性关系。由于 CCD 的像素的光电转换可以比喻为往井内注水，所以用半导体物理中的“势阱”的概念来描述上述线性关系。如图 2.3 所示图 2.3 势阱电子之所以被加有栅极电压的 MOS 结构吸引到氧化物与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低。在没有反型层时，势阱的深度和 UG 成正比例关系。如图 2.3（a ）所示空势阱的情况。当反型层电荷填充势阱时，表面势收缩，如图 2.3（b）所示。反型层电荷浓度继续增加，势阱被填充更多，此时表面不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象，如图 2.3（c）所示。杭州电子科技大学本科毕业论文52.1.3 电荷的转移通过按一定的时序在电极上施加高低电平，可以实现光电荷在相邻势阱间的转移，如图 2.4 所示。图 2.4 CCD 势阱中电荷转移图 2.4 中 CCD 的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为 10V 的 1 电极下面的深势阱中，其它电极加有大于阀值的较低电压（例如 2V） ，如图 2.4（a ）所示。一定时刻后，2 电极电压由 2V 变为 10V，其余电极保持不变，如图 2.4（b）所示。因为 1 和 2 电极靠得很近，它们各自对应的势阱将合并在一起，原来在 1 下的电荷变为 1 和 2 两个电极共有，如图 2.4（c）所示。之后，1 电极上的电压由10V 变为 2V，2 电极上的电压保持 10V 不变，如图 2.4（d）所示。最终，电荷将转移到 2 电极下的势阱中。由此实现深势阱及电荷包转移。2.1.4 电荷的输出电荷的输出是指在电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电流信号输出，也称为电荷的检测。目前 CCD 的主要输出方式有电流输出方式，浮置扩散放大输出和浮置栅极放大器输出。简而言之，就是一个 CCD 芯片是由几百甚至上万个光敏微元组成，这些微元组合成线阵或面阵 CCD，当被测目标的光信号通过光学系统在 CCD 光敏元生成像时，CCD 器件就将光敏元上的光信号转换成与光强成正比例的电荷量。用一定频率的时钟脉冲对 CCD 进行驱动，在 CCD 的输出端就可以获得被测目标的视频信号。视频信号中的每一个离散信号的大小对应着一个光敏元所接收光强的强弱，而信号输出的时序则对应着 CCD 光敏元位置的顺序。这样， CCD 用自身扫描方式完成了将信息从空间域到时间域的转换。2.2 CCD主要特性 5,6,7CCD 的基本特性主要包括：感光度、动态范围、分辨率、灵敏度和光谱响应等。下面分别对这几个参数做简单的介绍：杭州电子科技大学本科毕业论文61.感光度：感光度是表示在多暗的状态下，能够进行摄像的基准。决定 CCD 图像传感器感光度的要素有很多，不过从整体来看，如何将进入图像传感器的光有效地转换信号才是最重要的。因此，影响感光度的主要要素主要有：光电二极管的量子效率、微镜头、FD 的转换效率。2.动态范围：动态范围的定义为最大的信息量，也就是饱和信号量与噪声之比。定义基准的噪声，多指图像传感器产生的随机噪声，有时甚至忽视固定图形噪声。因为从原理上说，固定图形噪声是可以去除的。随机噪声是当图像在画面播出时与画面位置无关的噪声，CCD 图像传感器本身发生的典型随机噪声，有以下几种：暗电流散粒噪声，FD 复位噪声，FD 放大噪声和光散粒噪声。3.分辨率：分辨率就是表示图像传感器可照出多细微图像的指标，一般像素越多，分辨率越高。因此也常用像素来取代分辨率。CCD 图像传感器采用自扫描方式，每个光敏元都被隔开一定的距离。因此，CCD 的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像的抽样。光敏单元呈周期性排列，假设要采集的光学图像是沿水平方向，光强为正弦分布的条状图像，经 CCD 光敏单元进行光电转换，所得的信号在时间轴方向也是正弦波信号。由奈奎斯采样定理，CCD 的极限分辨率是空间抽样频率的一半，因此，CCD 原分辨率主要取决于 CCD 的像素数，其次，还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率，但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。4.灵敏度：灵敏度是 CCD 重要的参数之一。它有两种意义，一是表示光电器件的光电转换能力。对于给定芯片尺寸的 CCD 来说，其灵敏度可用光功率所产生的信号电流来表示，单位为纳安/勒克斯、伏/瓦、伏/勒克斯、伏/ 流明。勒克斯(lx)是光度学中辐射能流密度的单位，其转换式为:1W/（m 2）=20lx。另一种是指器件所能传感的最低辐射功率(或照度) ，与控测率的意义相同。单位用瓦(W)或勒克斯 (lx)表示。5.光谱响应：该参数表征 CCD 对于不同的波长光线的响应能力。CCD 接收光入射的方式分为正面光照和背面光照两种。由于 CCD 的正面布置有很多转移电极，电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射式的低。即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收，以及硅-二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光的干涉现象，出现明暗条纹。这几个 CCD 特性之中以感光度、动态范围、分辨率三个最为重要，在实际设计选择的时候必须考虑这几个参数是否符合我们系统的要求。杭州电子科技大学本科毕业论文72.3 CCD驱动电路分析CCD 传感器的基本功能是完成电荷的生成，存储，转移和输出。实现这些功能需要外围电路的驱动。对于一般的 CCD 传感器来说，驱动电路主要分为以下几个部分：时序脉冲产生电路；垂直驱动电路；水平驱动电路；信号预处理电路。其中信号预处理电路也叫模拟前后端电路(Front End)，它起连接前端 CCD 电路和后端图像处理电路的桥梁作用，主要功能是对 CCD 输出的视频模拟信号进行消噪、放大和模数转换等信号处理。时序脉冲产生电路是整个驱动电路设计的关键所在。它不仅负责产生 CCD 正常所需的驱动时序，而且信号预处理电路也需要由它来提供一些控制信号，比如采样/保持等脉冲信号，同时后续的图像处理、压缩、存储等工作必须与前端 CCD 光信号采集和转移输出的过程同步进行，这样就需要时序产生电路来产生同步控制逻辑时序来进行协调工作。具体来说，CCD 驱动电路有一定的周期性，但时序关系复杂。产生精确的驱动时序是 CCD 正常工作的保障，所以，设计出可靠的 CCD 驱动时序，就是 CCD 应用的关键问题。目前，对于 CCD 驱动电路有很多的设计方法，主要的设计方法有数字电路驱动法、单片机驱动法、EEPROM 驱动法、可编程逻辑芯片驱动法和专用 CCD 处理芯片驱动法。下面就以上的几种驱动产生方法的优缺点做相关分析：1.直接数字电路驱动方法这种方法是用数字门电路及时序电路直接搭成 CCD 驱动时序所需的电路，通过硬件电路来实现对 CCD 的驱动。这种电路一般由震荡器、单稳、计数器等构成，在具体实现方法上可以使用标准逻辑电路搭成或者一到几片 CPLD 编程实现。这种方法的特点是可以获得高速的驱动频率，缺点是逻辑设计比较复杂，调试较为困难。2.单片机驱动方法单片机产生 CCD 驱动时序的方法主要是依靠程序编程直接输出驱动时序信号。由于时序是由程序指令间的延时产生，因此这种方法在驱动过程中要占用全部 CPU 时间，而且为了时序的严密性一般在驱动过程中都禁止中断响应。这种驱动时序产生方法的特点时调节时序灵活方便、编程简单，但通常具有驱动频率较低的缺点。3.EPROM 驱动方法这种驱动电路一般由晶体振荡器、计数电路和 EPROM 存储器构成。在 EPROM中事先存放驱动 CCD 的所有时序信号数据，并由计数电路产生 EPROM 的地址使之输出相应的驱动时序。这种驱动时序产生方法结构简单明确，调试简便，缺点是结构尺寸仍嫌太大。4. 可编程逻辑器件驱动方法这种方法是目前国内比较常用的一种方法，可编程逻辑器件可以采用 FPGA 或者杭州电子科技大学本科毕业论文8CPLD，这种方法的器件集成度高，电路板面积小，频率也可以很高。在应用这种方法设计 CCD 的时序电路时，主要有两种输入方法，原理图设计输入法和硬件描述语言输入法。原理图设计法仍然是自下向的传统设计方法。利用已有的逻辑元器件来构造硬件电路。原理图输入法要求设计人员按照设计数字电路的过程，一步一步地进行逻辑的设计，尤其 CCD 芯片需要复杂的二相或四相交迭驱动脉冲时，一般整个驱动电路的原理图设计将变得非常复杂，那么就要要求设计人员对数字电路相当熟悉。与原理图输入法相比，硬件描述语言则与电路的结构相关不大，数字系统的设计直接面向用户需求，根据系统的行为和功能要求，自上向下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证，直到生成最终的硬件电路，可以省去大量时序电路的设计。5.专用 IC 驱动方法这种方法就是利用 CCD 驱动专用 IC 来产生时序。由于这种电路是专门为驱动CCD 而设计，所以集成度高、功能强、使用方便。在驱动摄像机等视频领域应用的CCD、或是对三元彩色 CCD 进行驱动时，使用这种方法是当然的首选。大多数 CCD 生产厂家也都生产相应的专用驱动 IC，在这种通常的应用中利用这些专用驱动 IC 构成标准的 CCD 驱动电路都会获得满意的结果。然而对于一些特定的应用场合，如用工业测量时这种方法又显得过于保守、灵活性不好。由以上分析讨论，我们可以看出利用单片微处理器产生 CCD 驱动时序的方法，在结构上最为简单、仅用一片 IC 即可，又具有灵活、智能化的特点。因此，只要能克服其驱动频率低、资源浪费较多的缺点，那么在特殊的应用领域将是一种较好的方法。Proteus 介绍：Proteus 不仅可将许多单片机实例功能形象化，也可将许多单片机实例运行过程形象化。前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果，后者则是实物演示实验难以达到的效果。它不仅能仿真单片机的 CPU 的工作情况，也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。因此在仿真和调试时，关心的不再是某些语句执行是单片机的寄存器与储存内容的改变，而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。对于仿真实验，从一定程度上是弥补了实验与工程应用间脱节的矛盾和现象。利用 C 语言来实现编程，比汇编程序更加容易让人理解，编程过程也更简单方便。Protel 99 SE 软件是十分实用简便的 PCB 板制图软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及 3D 模拟功能，是一个 32 位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计 32 个信号层，16 个电源-地层和 16 个机加工层。2.4 CCD技术的应用CCD 技术是一门集光学、电子学、精密仪器及微计算机于一体的综合性技术。由于它所具有的各项优良特性，使得 CCD 技术得到了广泛的应用。CCD 首先在成像领杭州电子科技大学本科毕业论文9域得到应用，例如监测、遥控、家用摄像机、空间探测、卫星传感、天文观测等。其中在天文学研究中应用较多，大型地面望远镜大多采用 CCD 作为成像器件，其次在卫星监测方面的应用也比较成功，例如用监视卫星上的 CCD 监测器能够识别地球上直径为 1.5m 的目标。CCD 技术的应用目前主要有以下几个方面：(1)天文学由于 CCD 具有灵敏度高、量子效应高、几何失真小、噪音低及实时采集处理的能力，所以将 CCD 应用在天文观测上，使得天文观测效率显著提高、天文数据的质量大为改善。(2)家用摄像机在消费电子技术中，CCD 器件已使用多年，特别在摄录一体机方面，CCD 器件可作为黑白检测器，及全彩色单芯片图像器。(3)医学及 X 光检测器在医疗设备的分析成像设备中，CCD 由于在紫外、可见、近红外区有较高的响应，已经广泛应用在医疗分析成像系统中。同胶片相比，它具有实时的优点。(4)非接触尺寸、位置测量由于 CCD 具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、高分辨率、高灵敏度、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、与计算机接口容易等诸多优点，致使 CCD 光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、光学式、电磁式测量仪优越得多。特别值得注意的是 CCD 尺寸测量技术是一种非常有效的非接触测量方法，它使得将加工、检测和控制过程融为一体成为可能。在 CCD 传感器的输出信号中不仅可以获得光强信息，还可以获得空间信息。其中，输出信号的大小对应光强的大小，输出信号的顺序对应空间像元的位置。杭州电子科技大学本科毕业论文10第一章 系统硬件3.1 PIC16F877A单片机 8,9PIC 系列单片机是美国 Microchip 公司生产的单片机，硬件资源丰富、设计简捷、指令系统设计精炼，是目前主流单片机中比较容易学习掌握的一种。PIC 单片机采用了 RISC 结构，其高速度、低电压、低功耗、大电流 LCD 驱动能力和低价位 OTP 技术等都体现出单片机产业的新趋势。在众多的 PIC 单片机中， PIC16F877A 是 PIC 系列中很有特色的一款单片机，除了具有 PIC 系列单片机大部分优点之外，片内还带有 EEPROM、A/D 转换器等，其主要特点如下： 具有高性能 RISC CPU； 仅有 35 条单字指令； 除程序分支指令为两个周期外，其余均为单周期指令； 运行速度：DC 4MHz 时钟输入，DC 1s 指令周期； 8K14 字 Flash 程序存储器，3688 字节数据存储器（ RAM） ，2568 字节EEPROM 数据存储器； 引脚输出与 PIC16C73B/74B/76/77 兼容； 中断能力（达到 14 个中断源） ； 8 级深度的硬件堆栈； 直接、间接和相对寻址方式； 上电复位（CPOR） ； 上电定时器（PWRT）和振荡启动定时器（OST） ； 监视定时器（WDT） ，它有片内可靠运行的 RC 振荡器； 可编程的代码保护； 低功耗睡眠方式； 可选择的振荡器； 低功耗、高速 CMOS Flash/EEPROM 工艺； 全静态设计； 在线串行编程（ICSP ） ； 单独 5V 的内部电路串行编程（ICSP）能力； 处理机读/写访问程序存储器；杭州电子科技大学本科毕业论文11 运行电压范围 2.05.5V； 高吸入/拉出电流 25mA； 商用、工业用温度范围； 低功耗：在 5V、4MHz 时典型值小于 2mA；在 3V、32kHz 时典型值小于20A；典型的稳态电流值小于 1A。PIC16F877A 单片机主要有 3 种封装形式，本课题使用最普遍的 DIP40 封装形式多数引脚都具备第二功能，甚至第三功能，有 5 个 I/O 端口：PORTA、PORTB 、PORTC、PORTD 和 PORTE，共 33 个引脚。PIC16F877A 引脚分布如图 3.1 所示。图 3.1 DIP40 封装形式的 16F877A 端口 A 是一个 6 位的双向输入/输出端口，对应的数据方向寄存器是 TRISA。当作为一般数据输入/输出端时，TRISA 寄存器用来设定该引脚的输入或输出，且每个引脚都可以单独作为输入/输出端使用。PORTA 寄存器为端口 A 的数据缓冲器，与端口 A 共享引脚的外围功能模块包括 A/D 转换通道、模拟参考电压和定时器 0 外部时钟输入等。 端口 B 是一个 8 位的双向输入/输出端口，对应的数据方向寄存器是 TRISB。它除了与 A 口一样有 I/O 功能外，其 RB4RB7 引脚还提供了电平变化的中断功能。杭州电子科技大学本科毕业论文12 端口 C、D、E 的功能与 A 口相似，除了具有输入 /输出功能外，还与一些外围功能模块共享引脚，端口 C、D 为 8 位的双向输入 /输出端口，对应的数据方向寄存器是 TRISC 和 TRISD；端口 E 仅有 3 个引脚为双向输入/输出端口，相应的数据方向寄存器是 TRICE。PIC16F877A 内部结构的功能框图如图 3.2 所示。图 3.2 PIC16F877A 内部结构的功能框图对于 PIC 系列单片机来说，内核是唯一必不可少的，其核心模块中最经常用到的是工作寄存器 W，W 寄存器是一个很重要的工作寄存器，许多指令都把它作为操作过杭州电子科技大学本科毕业论文13程的中转站。状态寄存器 STATUS 能及时的反映运算结果的一些算术状态，比如是否产生进位、借位、全零等；PIC 的 RAM 寄存器是比其他的单片机更要强大许多的数据存储器，除了具备普通的存储功能外，还能实现移位、置位、清零、位测试等一系列（只有“寄存器”才能实现的）复杂的操作。PIC16F877A 除了 CPU、POM、RAM、等基本构造外，还包括以下各种功能模块。I/O（1）A/D 转换器：具有 8 输入通道和 10 位分辨率的模数转换器，用来将外部的模拟物理量变换为单片机内部处理的数字量；（2）捕捉/比较/脉冲调制 CCP1 和 CCP2：内部包含两个几乎完全相同的 CCP 模块，与 TMR1 和 TMR2 配合可以实现输入捕捉、输出比较/脉宽调制输出功能。输入捕捉功能可以用于测量信号的周期、频率、脉宽等；输出比较可用于产生脉宽不同的正、负方波脉冲信号，以驱动可控硅、继电器等；脉宽调制输出功能用来产生周期和脉宽可调的周期性方波信号，以驱动可控硅、步进电机等；（3）定时器 TMR0，TMR1，TMR2 都是可编程的定时器：其中 TMR0 和 TMR2是 8 位宽、TMR1 是 16 位宽的。同时 TMR0 和 TMR1 可作为计数器，TMR2 不能作为计数器但和 TMR1 一样，可与 CCP 模块配合实现捕捉和比较功能；（4）通用同步/异步收发器 UASRT 模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为两种方式，即全双工异步方式和半双工同步方式；（5）主同步串行端口 MSSP：具有 SPI 和 I2C 两种工作模式，用来与具有 SPI 和I2C 串行端口的外接器件或者其他单片机进行通信；（6）EEPROM 数据存储器模块：是 2568 的电可擦写的存储器，存储的内容掉电也不会丢失（7）并行从动端口 PSP 模块：可用来与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理器或者和微处理器的并行数据总线连接，进行高速的数据传输和交换。并行数据总线的控制权由与 PIC 单片机通信的另一方掌控，因此，称其为并行冲动端口。3.2 线阵 CCD驱动时序 103.2.1 TCD1206SUP 简介TCD1206SUP 是一种高灵敏度、低暗电流、2160 像元的线阵 CCD 图像传感器。该传感器可用于传真、图像扫描和 OCR。该器件的内部信号预处理电路包含采样保持和输出预放大电路。它包含一列 2160 像元的光敏二极管，当扫描一张 B4 的图纸时，可达到 8 线/毫米（200DPI）的精度。 特性： 像敏单元数目：2160 像元 像敏单元大小：14m14m14m（相邻像元中心距为 14m） 光敏区域： 采用高灵敏度 PN 结作为光敏单元杭州电子科技大学本科毕业论文14 时钟： 二相（5V） 内部电路： 包含采样保持电路，输出预放大电路 封装形式： 22 脚 DIP 封装 极限工作值：（见注释 1）特性描述 符号 数值 单位时钟脉冲电压 V转移脉冲电压 VSH复位脉冲电压 VRS-0.38电源电压 VOD -0.315V工作温度 Topr -2560贮藏温度 Tstg -40100 （注释 1）：所有电压是以 SS 和 Vss 终端（地）为参考。 管脚图与管脚定义：管脚图如图 3.3 所示1 时钟 1 OS 信号输出2 时钟 2 DOS 补偿输出SH 转移栅 OD 电源RD 复位栅 SS 地NC 未连接杭州电子科技大学本科毕业论文15图 3.3 TCD1206SUP 管脚图 特性曲线图：如图 3.44 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 2 0 000 . 20 . 40 . 60 . 81 . 0T a = 2 5 C光谱响应曲 线波长 ( n m )相对响应度图 3.4 TCD1206SUP 光谱响应曲线图 电路原理图：如图 3.5D13.D623S12S3光 电二 极 管 .转 移 栅 2转 移 栅 1 S21589D64D734S210.CD 模 拟 转 移 寄 存 器 2CD 模 拟 转 移 寄 存 器 14D15信 号输 出缓 冲 级补 偿输 出缓 冲 级21234 6 19 21OSDOSOD 1 2 SHSRS杭州电子科技大学本科毕业论文16图 3.5 TCD1206SUP 电路原理图 工作条件：特 性 符 号 最小值 典型值 最大值 单 位高电平 4.5 5 5.5时钟脉冲电压低电平 V 0 0.2 0.5 V高电平 4.5 5 5.5转移脉冲电压低电平 VSH 0 0.2 0.5 V高电平 4.5 5 5.5复位脉冲电压低电平 VRS 0 0.2 0.5 V电源电压 VOD 11.4 12.0 13.0 V 时钟特性：（Ta=25 ）特性 符号 最小值 典型值 最大值 单位时钟脉冲频率 f 0.5 1.0 MHz复位脉冲频率 fRS 1.0 2.0 MHz时钟电容 C 350 400 pF转移栅电容 CSH 10 pF复位栅电容 CRS 10 pF3.2.2 TCD1206SUP 驱动脉冲时序TCD1206SUP 正常工作需要 4 路驱动脉冲信号：时钟脉冲 1，时钟脉冲 2，转移脉冲 SH 和复位脉冲 RS。其中 SH 为光电荷转移脉冲，其下降沿是每行输出的起始点；1、2 为两相交变驱动脉冲（相位差为 90 度） ，其作用为驱动信号电荷进行定向转移；RS 为输出端复位脉冲，清除输出端输出一个单元电荷后所剩电荷，以保证下一个单元电荷电压的正确输出。在四路脉冲的正确驱动下，该图像传感器将产生有效光电信号 OS 和补偿信号 DOS。图 3.6 即为 TCD1206SUP 各路驱动信号的时序关系。杭州电子科技大学本科毕业论文17图 3.6 TCD1206SUP 驱动时序图杭州电子科技大学本科毕业论文18脉冲时序要求：图 3.7 TCD1206SUP 驱动电路脉冲宽度与延时关系图 3.8 TCD1206SUP 驱动电路二相脉冲图 3.9 TCD1206SUP 驱动电路输出脉冲波形杭州电子科技大学本科毕业论文19特性描述 符号 最小值 典型值 最大值 单位SH 与 1 的脉冲间隔 t1，t5 0 100 nsSH 脉冲上升时间、下降时间 t2，t4 0 50 nsSH 脉冲宽度 t3 200 1000 ns1，2 脉冲上升时间，下降时间 t6，t7 0 60 100 nsRS 脉冲上升时间，下降时间 t8，t10 0 20 nsRS 脉冲宽度 t9 40 250 ns1， 2 与 RS 脉冲间隔 t11 100 125 ns视频数据延迟时间 t12，t13 90 ns注：典型值是在 fRS=1MHz 条件下测定。杭州电子科技大学本科毕业论文20第二章 基于 PIC 的线阵 CCD 驱动设计4.1 驱动程序设计4.1.1 驱动时序分析根据 TCD1206SUP 的驱动时序图，该 CCD 的驱动时序可以分为两部分。 光电荷转移脉冲部分：如图 4.1图 4.1 光电荷转移脉冲时序AB 段波形在单片机输出端口对应的输出如下表所示：序号 输出端口数值 序号 输出端口数值1 0x04 5 0x0C2 0x05 6 0x0D3 0x0C 7 0x044 0x0D 8 0x05 光电荷输出部分：如图 4.2A BSH12RS1 2 3 4 5 6 7 8RC3RC2RC1RC0SH12RSRC3RC2RC1RC0C D1 2 3 4杭州电子科技大学本科毕业论文21图 4.2 光电荷输出脉冲CD 段波形在单片机输出端口对应的输出如下表所示：序号 输出端口数值1 0x022 0x033 0x044 0x05东芝 TCD1206SUP 这款 CCD 在正常驱动下先进行哑元输出（13 个像元） ，光屏蔽输出（48 个像元）和 3 个空像元，之后是有效像元输出（2160 像元） ，最后是输出无效像元包括 3 个空像元、哑元输出（6 个像元） 、TTE 测试用的 2 个像元和一个空像元，所以驱动该 CCD 至少需要 2236 个像元，1118 个像 CD 段一样的周期。4.1.2 C 语言程序设计及问题用 C 语言来编写上述时序脉冲产生程序时，我使用 for 循环来完成光电荷输出阶段的 1118 个周期循环，在 for 循环完成之后执行产生光电荷转移脉冲部分波形的指令，最后将一个完整的波形用 while（1）来让它无限循环。部分程序如下所示：while(1)for(i=0;i1118;i+)portc = 0x02;portc = 0x03;portc = 0x04;portc = 0x05;portc = 0x0C;portc = 0x0D;portc = 0x0C;portc = 0x0D;portc = 0x04;portc = 0x05;以上程序经 proteus 仿真后得到的仿真波形分析出程序有很多的问题： 调用 C 语言的 for 循环所用的时间相对于 CCD 脉冲周期来说时间过长； CCD 的复位信号 RS 比占空比并不是 50%，而是应该低于 25%； 每次调用循环都是会产生延时，所以在循环中的最后一个指令不应