摘  要： 通過STC89C52單片機平臺，以4路驅(qū)動信號的TCD1208AP和6路驅(qū)動信號的TCD1501D為例，采用分割法對驅(qū)動信號進行了分析與編碼。根據(jù)線陣CCD驅(qū)動信號數(shù)量的不同，分別采用單周期和雙周期指令完成了驅(qū)動時序的編程實現(xiàn)和實驗驗證。該方法應(yīng)用高執(zhí)行效率的51匯編指令，驅(qū)動信號頻率高、穩(wěn)定性好，充分發(fā)揮了單片機和線陣CCD的綜合性能。
關(guān)鍵詞： 線陣CCD；單片機驅(qū)動；分割法；STC89C52；TCD1208AP；TCD1501D

    近年來，隨著半導體技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，CCD圖像傳感器在功耗、分辨率和動態(tài)范圍等方面取得了巨大的進步。目前，CCD圖像傳感器非接觸式測量技術(shù)已廣泛應(yīng)用于尺寸測量、圖像傳感、機器視覺、文字掃描等領(lǐng)域[1]。
    線陣CCD驅(qū)動信號是一組關(guān)系復雜的周期性脈沖信號，它是決定信號積分時間、信噪比的關(guān)鍵因素。目前，線陣CCD的驅(qū)動電路主要包括專用集成電路驅(qū)動、EPROM驅(qū)動、可編程邏輯器件驅(qū)動、單片機驅(qū)動等[2]。基于單片機的線陣CCD驅(qū)動擴展性強、功耗小、應(yīng)用成本低，應(yīng)用前景廣闊。單片機驅(qū)動設(shè)計中，難免要使用轉(zhuǎn)移指令，但是由于單片機的轉(zhuǎn)移指令、位操作和端口賦值指令的指令周期不同及驅(qū)動信號的復雜性，如果驅(qū)動時序設(shè)計不當，將難以滿足CCD驅(qū)動時序的高頻率和穩(wěn)定性要求。因此，關(guān)于單片機線陣CCD驅(qū)動時序分析和設(shè)計方法的研究具有深刻的意義。
1 線陣CCD驅(qū)動設(shè)計
    51系列單片機具有低功耗、擴展靈活、控制穩(wěn)定等特點，是目前應(yīng)用最廣泛的單片機。因此，本文將利用STC89C52單片機進行線陣CCD驅(qū)動設(shè)計的研究。
    CCD圖像傳感器采用光電效應(yīng)，以感應(yīng)電荷為信號，在特定驅(qū)動脈沖作用下，實現(xiàn)信號電荷的存儲和定向轉(zhuǎn)移[3]。線陣CCD驅(qū)動設(shè)計中，所采用指令的指令周期決定了線陣CCD的驅(qū)動頻率的大小。具體采用單周期指令還是多周期指令取決于線陣CCD驅(qū)動信號的路數(shù)和驅(qū)動信號間的關(guān)系。
1.1 線陣CCD的驅(qū)動信號
    線陣CCD在驅(qū)動時序作用下完成了信號電荷的存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。線陣CCD的驅(qū)動信號包括轉(zhuǎn)移脈沖(SH)、時鐘脈沖(Q1，Q2)、復位脈沖(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TCD1208AP和6驅(qū)動TCD1501D線陣 CCD為例，研究基于51單片機的線陣CCD的驅(qū)動設(shè)計。

    TCD1208AP采用幀輸出方式，每幀信號對應(yīng)1 106個時鐘脈沖。利用51單片機計數(shù)器對時鐘脈沖Q2的下降沿計數(shù)，當計數(shù)達到1 106時，利用中斷方式產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖SH。單片機與TCD1208AP間的接口關(guān)系如圖1所示。圖4是TCD1208AP 4路驅(qū)動信號的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

    由圖4可知，除去SH中斷狀態(tài)外，TCD1208AP驅(qū)動信號共有8種狀態(tài)。Q1和Q2相位相反，周期是RS的2倍，SH由計數(shù)中斷產(chǎn)生。程序設(shè)計中，采用位操作指令和自加自減指令實現(xiàn)信號間轉(zhuǎn)換；驅(qū)動信號的周期切換采用JBC跳轉(zhuǎn)指令通過RS信號的檢測實現(xiàn)循環(huán)。JBC指令尋址位為1轉(zhuǎn)移，選擇RS為檢測位，需對狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的信號編碼進行取反操作。這樣實現(xiàn)了驅(qū)動信號的轉(zhuǎn)換均在單周期指令操作，與雙周期指令相比，驅(qū)動頻率提高了一倍。核心程序如下：
    MOV P1,#0xFA    ；驅(qū)動信號的初始狀態(tài)
LOOP：                ；驅(qū)動信號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)動信號設(shè)計中，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Q1和Q2，形成驅(qū)動信號間的關(guān)系如圖6所示。

    由圖7可知，TCD1501D增加了兩路信號CP和SP，驅(qū)動信號間的變換至少包含兩路信號的變換，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I/O口產(chǎn)生驅(qū)動信號，只能選擇雙周期的I/O端口數(shù)據(jù)傳送指令進行TCD1501D驅(qū)動設(shè)計，核心程序如下：
LOOP：                ；驅(qū)動信號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
    當晶振頻率相同時，與TCD1208AP相比，TCD1501D的驅(qū)動頻率降低一半，但這不影響多數(shù)非接觸式測量的應(yīng)用要求。由上述兩例驅(qū)動設(shè)計過程可知，根據(jù)CCD驅(qū)動信號數(shù)量的不同和驅(qū)動信號的時序關(guān)系設(shè)計驅(qū)動程序，能最大限度地提高信號的驅(qū)動頻率，充分發(fā)揮單片機驅(qū)動的優(yōu)勢。
2 實驗結(jié)果分析
    STC89C52是 51單片機中性價比極高的一款單片機，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，其能滿足應(yīng)用對象對高速度、低功耗的要求。
    本文選擇STC89C52單片機作為試驗平臺，采用keil C51平臺驗證所設(shè)計的時序的正確性。試驗中，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)部機器周期0.25 ?滋s。該條件下，TCD1208AP和TCD1501D的時鐘脈沖頻率分別達到了0.5 MHz和0.25 MHz的正常工作要求。圖8和圖9是實際測量的時序圖。
    由圖8和圖9可知，當轉(zhuǎn)移脈沖計數(shù)發(fā)生中斷時，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的高電平保持時間必須小于Q1高電平保持時間。實際應(yīng)用中，CCD各信號需滿足特定的時間參數(shù)要求。表1和表2是TCD1208AP和TCD1501D理論時間參數(shù)和實驗測量參數(shù)的對照表，表中時間符號分別與圖2和圖5中的時間符號相對應(yīng)。

    可以看出，實測參數(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)動信號單周期指令運行速度是雙周期指令的2倍。因此，根據(jù)線陣CCD驅(qū)動信號數(shù)量的不同和驅(qū)動信號的關(guān)系，合理采用分割法對信號進行分析和編碼，科學選擇單周期指令和雙周期指令，能充分發(fā)揮單片機和線陣CCD的綜合性能，提高驅(qū)動信號的頻率和穩(wěn)定性。目前該設(shè)計方法在某型號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單片機作為線陣CCD的驅(qū)動控制器，很好地滿足了CCD驅(qū)動強擴展性、高速度、低功耗的應(yīng)用要求。設(shè)計中，根據(jù)線陣CCD驅(qū)動信號數(shù)量和信號關(guān)系的不同，采用分割法對驅(qū)動時序進行了分析和編碼，利用51匯編指令完成驅(qū)動時序的科學編程，完成線陣CCD驅(qū)動時序的設(shè)計。利用STC89C52單片機，以4路和6路線陣CCD驅(qū)動設(shè)計為例，提出了多路驅(qū)動信號線陣CCD驅(qū)動設(shè)計的具體方法。本文對驅(qū)動時序進行了測試，驗證了實測參數(shù)的正確性。該方法得到的驅(qū)動時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)動開發(fā)指明了方向。
參考文獻
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