一种基于高速超微型单片机的CCD驱动电路设计

1、    一种基于高速超微型单片机的CCD驱动电路设计        周根荣， 姜 平 时间:2008年06月17日     字 体: 大 中 小        关键词:<"cblue" " target='_blank'>驱动方法<"cblue" " target=

2、'_blank'>在线调整<"cblue" " target='_blank'>可编程<"cblue" " target='_blank'>同步信号<"cblue" " target='_blank'>超微型            摘要：介绍了CCD驱动电路的4种常用方式及其优缺点，

3、详细阐述了基于高速<"cblue" " title="超微型">超微型单片机C8051F300的CCD驱动电路设计，包括内部CCD驱动时序和外部输出<"cblue" " title="同步信号">同步信号的产生、像素输出电压的简单处理以及通过RS232接口<"cblue" " title="在线调整">在线调整CCD驱动频率等。系统克服了目前单片机方式在CCD驱动应用中存在的一些缺点。关键词： C8051F30

4、0 CCD TCD1206 <"cblue" " title="可编程">可编程计数器阵列CCD作为一种光电转换器件，由于其具有精度高、分辨率好、性能稳定等特点，目前广泛应用于图像传感和非接触式测量领域。在CCD应用技术中，最关键的两个问题是CCD驱动时序的产生和CCD输出信号的处理。对于CCD输出信号，可以根据CCD像素频率和输出信号幅值来选择合适的片外或片内<"innerlink" " title="模数转换">模数转换器；而对于CCD驱动时序，则有几类常用的产生方法

5、。1 常用的CCD驱动时序产生方法CCD厂家众多，型号各异，其驱动时序的产生方法也多种多样，一般有以下4种：(1) 数字电路<"cblue" " title="驱动方法">驱动方法这种方法是利用数字门电路及时序电路直接构建驱动时序电路，其核心是一个时钟发生器和几路时钟分频器，各分频器对同一时钟进行分频以产生所需的各路脉冲。该方法的特点是可以获得稳定的高速驱动脉冲，但逻辑设计和调试比较复杂，所用集成芯片较多，无法在线调整驱动频率。(2) EPROM 驱动方法这种驱动电路一般在EPROM中事先存放所有的CCD 时序信号数据，并由计数电路

6、产生EPROM 的地址使之输出相应的驱动时序。该方法结构相对简单、运行可靠，但仍需地址产生硬件电路，所需EPROM 容量较大，同样也无法在线调整驱动频率。(3) 微处理器驱动方法这种方法利用单片机或DSP通过程序直接在I/O口上输出所需的各路驱动脉冲，硬件简单、调试方便、可在线调整驱动频率。但由于是依靠程序来产生时序，如果程序设计不合理，会造成时序不均匀；而且往往会造成微处理器资源浪费；通常驱动频率不高，除非采用高速微处理器。(4) 可编程逻辑器件驱动方法这种设计方法就是利用CPLD、FPGA等可编程逻辑器件来产生时序驱动信号，硬件简单、调试方便、可靠性好，而且可以得到较高的驱动频率，同样也可

7、在线调整驱动频率。电路设计完成以后，如果想更改驱动时序，只需将器件内部逻辑重新编程即可。以上4类方法中目前常用的是微处理器驱动方法(通常又称为“软件驱动”法)和可编程逻辑器件驱动方法(又称“硬件驱动”法)。由于在CCD应用系统中，一般都要用到微处理器，所以若采用“软件驱动”法，则无需增加硬件，在电路结构上最为简单，系统成本也最低，因此，只要能克服其驱动频率低、资源浪费多、时序不均匀等缺点，无疑是一种理想的驱动方法。本文结合Toshiba 公司的TCD1206 线阵CCD，介绍如何利用C8051F300来产生其要求的驱动时序。2 硬件设计如图1所示，虚线框内的电路构成CCD驱动处理板，安装在CC

8、D相机内部。系统处理器采用美国Silabs公司推出的超微型高速8位单片机C8051F300 1，CCD采用Toshiba公司的高灵敏度线阵CCD图像传感器芯片TCD12062，双电压供电的总线驱动器 LVC4245 3解决了单片机(3.3V)和CCD(5V)二者之间的电平匹配。CCD驱动脉冲由C8051F300提供，其像素输出电压经高速运放AD80314处理，由Uo引脚引到外部，同时向外部提供像素同步信号PS和行同步信号FS(由P0.6、P0.7经LVT245总线驱动器5所得)。Uo、PS、FS这3个信号供外部处理器采集CCD像元输出。另外，有时可能要在线调整CCD的某些参数(如驱动频率、积分

9、时间等)，为此设置了RS232串口与外部处理器进行通信。2.1 TCD1206 TCD1206是Toshiba 公司生产的高灵敏度二相双沟道线阵CCD图像传感器芯片，2160个有效像素点，像素频率为0.32MHz(本系统为1MHz)，其驱动时序波形如图2所示。图2中：1、2为像素脉冲，两者互为反相，RS为复位脉冲，SH为光积分脉冲，OS为像元输出，DOS为像元补偿输出。当SH为低电平时，在1、2交变后，OS输出像元电压信号，随后发RS脉冲，以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷，为下一点像素电压输出做准备。各脉冲具体时序关系可参见参考文献2。2.2 C8051F300 C8051F系列单片机其CPU

10、内核采用流水线结构，机器周期由标准8051的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，使其执行速度在相同晶振下是标准8051的12倍，处理能力大大提高，大部分C8051F单片机的峰值处理速度是25MIPS，而C8051F12X、13X系列的峰值处理速度则达到了100MIPS。C8051F系列单片机功能齐全，性能优异，其整体性能超过很多目前的16位单片机，甚至在一些低端应用中可取代低速的16位DSP器件，目前在仪器仪表、工业控制、嵌入式产品等领域日益得到广泛应用。C8051F300是C8051F系列中的超微型高速混合系统级单片机，是目前世界上最小封装的8位单片机，11个引脚，封装在面积为3mm&#

11、215;3mm的芯片上。内部集成了3个16位定时器、3个可编程捕捉/比较模块、1个UART串口、1个I2C串口、1个8通道500KSPS采样率的8位ADC、8KB的Flash程序存储器、256B的内部RAM、8个I/O口，系统内部振荡时钟为24.5MHz(±2%)、最大峰值处理速度可达25MIPS。由图2可见，在4路CCD驱动脉冲中，对时序要求严格的是1、2和RS，为此，利用C8051F300的可编程计数器阵列模块的2个可编程捕捉/比较模块输出口(CEX0、CEX1)自动产生1、2，以CEX0为基准点，再产生RS和其他脉冲。2.3 可编程计数器阵列(PCA)PCA提供增强的定时器功能

12、，由一个专用的16位计数器/定时器和3个16位捕捉/比较模块组成，每个捕捉/比较模块有其自己的I/O口(CEXn，n=1,2,3)。计数器/定时器的时基信号可在6个时钟源中选择：系统时钟、系统时钟/4、系统时钟/12、外部振荡器时钟/8、定时器0溢出或ECI输入引脚上的外部时钟信号。而每个捕捉/比较模块都可以被独立配置为6种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位PWM和16位PWM。由于1、2(对应CEX0、CEX1)是占空比为50%的方波，所以捕捉/比较模块0、1工作在频率输出方式，这种工作方式可在CEXn引脚产生可编程频率的方波，其工作原理图如图3所示。当PCA计

13、数器低字节与捕捉/比较寄存器低字节相同即PCA0L=PCA0CPLn时，称为“比较匹配”，此时CEXn引脚电平翻转，同时捕捉/比较寄存器高字节即PCA0L与PCA0CPHn相加后的结果送入PCA0CPLn，以便下一次比较用。显然，只要改变PCA0CPHn的值，便可在CEXn引脚上得到频率可调、占空比为50%的方波，其频率由下式定义：fCEXn = fPCA/(2×PCA0CPHn)，其中：fPCA是PCA计数器/定时器的时钟频率。3 软件设计为了得到时序严格的CCD驱动脉冲和外部输出同步脉冲，程序不是靠软件延时来达到合适宽度的脉冲，而是利用PCA模块本身强大的功能，用中断程序来完成各

14、路脉冲，即开放捕捉/比较模块0的“比较匹配”中断作为同步信号，并以此为基准点完成相应脉冲的每一次变化。3.1 CCD驱动脉冲PCA的2个捕捉/比较模块工作方式设置为如图4所示的频率输出方式。其输出引脚CEX0、CEX1的初始电平设置为1、0，当PCA0L与PCA0CPLn(n=0、1)“比较匹配”时，电平翻转，由此形成反相的1、2脉冲；而RS脉冲的产生，则是在捕捉/比较模块0 的“比较匹配”中断程序中，即先对RS(P0.2)置1，随后清零，这样就可产生80ns的RS脉冲(SETB bit指令周期为2个时钟周期，即80ns)。3.2 外部输出同步脉冲及像素电压行同步信号FS、像素同步信号PS均设

15、置为低电平有效，CCD时序中1、2交变后直到像素电压输出有一个延迟时间tdly(典型值为150ns)，但由于捕捉/比较模块0“比较匹配”时，一方面CEX0(1)翻转，一方面向CPU请求中断，而中断响应时间需5个时钟周期(200ns)，显然大于tdly，所以进入中断后，不必考虑tdly，可直接对PS(P0.6)清零，待合适的时间后再将PS置1，这样就产生一个低电平有效的PS信号。CCD像素输出OS、DOS经高速运放AD8031处理后，其外部输出像素电压Uo时序如图4所示。针对单片机在CCD时序驱动应用中存在的优缺点，选用新型高速C8051F单片机，实现CCD驱动电路，克服了单片机驱动方式存在的驱

16、动频率低、系统资源浪费、时序间隔不均匀等缺点；具有硬件结构简单、调试编程方便、可在线调整驱动频率等优点。本文所介绍的驱动电路己应用于TCD1206，超微型的封装结构使其很容易与其他芯片一起嵌入在CCD相机中，系统运行可靠。参考文献1 C8051F300/1/2/3/4/5 Mixed-signal ISP flash MCU familySilicon Laboratories，20032 Toshiba CCD linear image sensor TCD1206 data manualToshiba，20013 SN74LVC4245 Octal bus transceiver and 3.3V to 5V shifter data manualTexas Instruments，1997