单片机一维线阵CCD采集-文献综述

杭 州 电 子 科 技 大 学毕 业 设 计 （ 论 文 ） 文 献 综 述毕 业 设 计 （ 论 文 ） 题 目 单片机一维线阵 CCD 采集文献综述题目 单片机一维线阵 CCD 采集文献综述学 院 理学院专 业姓 名班 级学 号指导教师 文献综述1单片机一维线阵 CCD 采集一、引言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半导体表面器件。它是由美国贝尔实验室的 W.S.Boyle 和G.E.Smith 于 1970 年首先提出的，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。CCD 是一种金属氧化物半导体结构的新型器件，其基本结构是一种密排的 MOS电容器，能够存储由入射光在 CCD 像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当时钟脉冲的驱动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，完成从光信号到电信号的转换。这种电信号通常是符合电视标准的视频信号，可在电视屏幕上复原成物体的可见光像，也可以将信号存储在计算机上，进行图像增强、识别、存储等处理。因此，CCD 器件是一种理想的摄像器件。它有如下特点：1. 体积小、重量轻、耗电小、启动快、寿命长和可靠性高。2. 光谱响应范围宽。3. 灵敏度高。4. 可达到很高的分辨率。5. 易与微光像增强器级联耦合，能在低光条件下采集信号。6. 抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。由于 CCD 器件的这些优秀的特性，使得它在各领域的应用越来越广泛，已经逐渐成为图形采集使用中最受欢迎的主流成品。近 30 年来，CCD 器件及其应用技术的研究取得了惊人的发展，特别是在图像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。目前,CCD 应用技术已成为集光学、电子学、精密机械及微型计算机为一体的综合性技术，在现代光子学、光电检测技术和现代测量技术中成果累累，方兴未艾 13。CCD 图像传感器按光敏单元的结构分为面阵和线阵两种。面阵 CCD 不需要目标机械运动就可以实现二维图像的光电转换，但是它的数据量较大，不利于进行实时处理，而且价格也比较高。相比之下，线阵结构的 CCD 具有空间分辨率高、数据量小、易于实时处理等优点。因此，线阵 CCD 广泛地应用在国防、工业、医学、生物、天文、地质、宇航等技术和科学领域中。归纳起来为计量检测仪器：工业产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测；光学信息处理：光学文字识别、光学标志识别、图像识别、传真、摄像、光谱能量检测、光栅信号处理；军事应用：导航、跟踪、侦查等等46。本课题设计用单片机与线阵 CCD 结合的电路，实现线阵 CCD 的数据采集。按照课题要求，初步确定设计系统由驱动模块、数据采集处理模块、显示模块 3 个模块组成。设计采用 PIC16F877A 单片机，以 C 语言为程序设计的基础，设计出一维数据采集器。二、主题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 文献综述2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 7。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. 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 文献综述3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 8。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 9。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10。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 11。三、结论由于不同的型号的 CCD 的驱动时序是不同的，设计驱动程序时需要根据不同的 CCD设计不同的程序。根据这一情况，在上述几种驱动方法中单片机驱动方法有着其独有的优势。单片机驱动方法是用单片机的 I/O 口产生驱动脉冲这种方法灵活性好，对不同的 CCD 器件只需要修改程序即可，但是由于时序的产生完全依赖程序指令的延时来实现，而且目前的单片机时钟频率较低，因此由指令产生多路脉冲时，其最高频率不过几千赫兹，要达到兆赫兹级的 CCD 驱动频则无能为力。 文献综述4四、参考文献1 林家明，杨隆荣.CCD 及摄像机技术在工业中的应用J.物理，2000,29（12）：732-735.2 常丹华.CCD 成像动态测量球外径的研究J.仪器与仪表，1999， （12）：23-25.3 刘继昆，刘井.多种用途线阵 CCD 摄像机的设计J.电子应用技术，1997， （10）：42-43.4Yasuomi.Watanabe,Seniichi.Koike,Toshiaki.Kodake,Koji.Tsuchiya,Tadakuni.Narabu.A 5000-Pixel Linear Image Sensor with On-chip Clock DriversJ.IEEE Trans.on Consumer Electronics,1990,36(3):473-478 0098-3063.5 刘国媛，李露瑶，张伯珩.CDS 器件在 TDI-CCD 视频信号处理中的应用J.光子学报，2000,29（1）：82-85.6 Dongguang Li,Guijun Ji,Shimin Yang,Guoxiong Zhang.Hardware Demodulation Method for 2-D Edge Detection and Error CompensationJ.Transactions of Tianjin University,1999,5(1):52-56.7 马俊婷，李仰军，郝晓剑.科学级 CCD 相机的噪声分析和信号处理A，华北工学院学报，2001 年，第 22 卷，第 2 期，22-26.8