線陣CCD數(shù)據(jù)采集論文范文

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1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

1.1TCD1208AP驅(qū)動電路TCD1208AP是一種二相雙溝道線陣ccd圖像傳感器芯片，其驅(qū)動信號如圖2所示。四路驅(qū)動信號分別為：轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS，時鐘脈沖Φ1、Φ2。SH為高電平時信號電荷轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器，SH跳變?yōu)榈碗娖胶笤跁r鐘脈沖Φ1、Φ2交變作用下OS逐個按位輸出像元電壓信號，隨后發(fā)出RS脈沖去掉信號輸出緩沖器中的殘余電荷為下一像元電壓輸出做準備。根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)安排，TCD1208AP在一個采樣周期中首先輸出40個啞元信號，之后輸出2160個有效像元輸出，其后又輸出12個啞元信號后一個輸出周期結(jié)束，因此一個采樣周期中至少包含2212次時鐘信號交變和2212個復(fù)位脈沖RS。CCD傳感器對驅(qū)動信號的頻率有嚴格要求［2］，其時鐘特性如表1所示。STM32驅(qū)動信號產(chǎn)生方法有兩種：a.設(shè)定通用定時器產(chǎn)生；b.直接設(shè)置IO口模擬。第一種方法計時準確，通過設(shè)置相應(yīng)定時器的預(yù)分頻寄存器精度可達0.05μs，但通用定時器同步困難，需要使用中斷來實現(xiàn)，操作困難且由于CCD交變時鐘信號工作頻率高而難以保證準確同步［3］。系統(tǒng)采用庫函數(shù)直接設(shè)置CPU寄存器控制IO口的方法輸出驅(qū)動信號，通過設(shè)置鎖相環(huán)PLL，STM32的指令執(zhí)行速度高達72MHz，克服了以往單片機直接驅(qū)動頻率低的問題。IO跳變時間只有28ns，采用CPU空指令_nop（）延時，精度為13ns，完成一個采樣周期最快只需5ms左右，通過庫函數(shù)設(shè)置相應(yīng)GPIO口的GPIOx_BSRR寄存器實現(xiàn)相應(yīng)端口同時輸出高或低電平可以確保各端口滿足驅(qū)動信號同步性要求。通過分析TCD1208AP驅(qū)動信號時序圖可以看出除去SH中斷位在一個Φ1或Φ2周期內(nèi)可以將信號分為6種狀態(tài)［4］，如圖3所示，Φ1、Φ2相位相反，周期為2倍的RS。因此可以采用循環(huán)狀態(tài)分割法讓STM32周期性的輸出大于1106（2212/2）個Φ1周期內(nèi)的這6種狀態(tài)即可完成一次采樣。根據(jù)圖3可以列出各狀態(tài)的時序變化值，如表2所示。通過調(diào)整每種狀態(tài)的延時時間進而得到復(fù)合CCD傳感器驅(qū)動信號頻率要求的信號，在實際測量中，延時函數(shù)的輸入?yún)?shù)可以隨時調(diào)整，以取得最佳采樣結(jié)果。STM32的引腳輸出高電平為3.3V，輸出信號經(jīng)由74LS04P芯片組成的電平轉(zhuǎn)換電路放大到5V后接入CCD傳感器相應(yīng)引腳，以滿足傳感器對驅(qū)動信號電平的要求。調(diào)整延時函數(shù)的輸入?yún)?shù)，在示波器上可以得到輸出驅(qū)動信號的時序圖如圖4所示。

1.2傳感器輸出電壓處理電路CCD正常工作時有兩路輸出信號：輸出信號OS和補償信號DOS，但該信號有效信號幅值小，且存在周期性的復(fù)位脈沖串擾。系統(tǒng)采用差分運算方式處理輸出信號，差分運算放大器選用AD公司的AD8031芯片，它是一款低功耗、高速的單電源電壓反饋性放大器，小信號帶寬為80MHz，壓擺率為30V/μs，建立時間為125ns。采用+5V電源時，對于2V峰值、1MHz輸出信號的總諧波失真（THD）為-62dBc，完全可以滿足系統(tǒng)需要。將CCD的輸出信號OS和補償輸出信號DOS分別接到芯片的+IN引腳和-IN引腳可以有效去除OS中含有的復(fù)位噪聲。由于AD8031差分運算放大器的最小放大倍數(shù)為1，CCD傳感器的最高模擬電壓輸出為5V,而STM32芯片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換器的外接參考電壓VREF+為3.3V，因此需要對經(jīng)過差分處理的模擬信號進行降壓處理以滿足A/D轉(zhuǎn)換器的量程要求。輸出電壓信號處理電路如圖5所示，圖中R1=R2=R3=R4=10kΩ，R6=2R5=20kΩ。［5］線陣CCD傳感器輸出信號頻率高，因此需要AD傳感器有較高的轉(zhuǎn)換速率，系統(tǒng)將時鐘ADCCLK配置為9MHz，同時把所用ADC1通道11配置為7.5個采樣周期，根據(jù)STM32的ADC采樣時間計算公式：TCONV采樣周期+12.5個周期［6］得系統(tǒng)所用ADC1轉(zhuǎn)換通道的轉(zhuǎn)換時間為：TCONV=（55.5+7.5）×1÷9=7μs，完全滿足線陣CCD傳感器對轉(zhuǎn)換速率的要求。同時將ADC1設(shè)置為自動DMA傳輸模式，每次轉(zhuǎn)換完成后會自動開啟DMA傳輸功能將所得數(shù)據(jù)采用硬件方式轉(zhuǎn)移到STM32內(nèi)存預(yù)設(shè)位置的數(shù)據(jù)存儲數(shù)組中，這個過程不需要CPU的參與，不影響CPU產(chǎn)生驅(qū)動信號。ADC1采用軟件啟動模式，編程時在時序狀態(tài)變化表的特定時刻插入ADC_SoftwareStartConvCmd（）庫函數(shù)啟動ADC轉(zhuǎn)換。

1.3觸控液晶顯示器電路設(shè)計系統(tǒng)采用2.4寸（240×320）TFT液晶顯示器，由于STM32內(nèi)部沒有集成專用的液晶屏和觸摸屏的控制接口，所以需要外接專用芯片來控制顯示面板，系統(tǒng)采用ILI9325和TSC2046芯片。由STM32的FSMC（靜態(tài)存儲控制器）的NOR/PSRAM模式模擬產(chǎn)生ILI9325的8080接口通信時序，通過對FSMC的操作向ILI9325寫入控制命令或GRAM數(shù)據(jù)。通過配置STM32的SPI接口向四線電阻觸摸屏控制器TSC2046寫入控制字和接收控制器返回的屏幕X、Y方向的觸電電壓值。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)硬件功能設(shè)計，系統(tǒng)軟件主要有3個模塊組成：驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、液晶顯示模塊。為了使3個模塊協(xié)調(diào)運行、更好地管理微處理器及縮短軟件開發(fā)周期，系統(tǒng)在STM32微處理器平臺上移植了μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)［7］。根據(jù)所完成任務(wù)性質(zhì)及特性的不同，3個模塊有不同的優(yōu)先級及運行頻率，其中驅(qū)動信號產(chǎn)生模塊擁有最高優(yōu)先級，可剝奪型的實時內(nèi)核在任何時候都運行就緒了的最高優(yōu)先級任務(wù)，數(shù)據(jù)處理模塊的運行是基于驅(qū)動信號產(chǎn)生的基礎(chǔ)之上，優(yōu)先級次低，窗口顯示模塊對實時性要求最低，可設(shè)置最低的優(yōu)先級。驅(qū)動采樣任務(wù)、數(shù)據(jù)處理任務(wù)及顯示任務(wù)的流程如圖6所示。液晶顯示處理任務(wù)負責(zé)及時按指定格式顯示出處理后的數(shù)據(jù)及完成通過觸摸屏控制系統(tǒng)的運行啟停等人機交互任務(wù)，為了簡化開發(fā)步驟和提高程序開發(fā)效率，系統(tǒng)在μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上移植了uCGUI嵌入式圖形支持系統(tǒng)。uCGUI設(shè)計用于為任何使用LCD圖形顯示的應(yīng)用提供高效且獨立于處理器及LCD控制器的圖形用戶接口。uCGUI可以在任何的CPU上運行，因為它是100%的標準C代碼編寫的。系統(tǒng)的控制顯示界面如圖7所示。

3結(jié)語

系統(tǒng)采用高分辨率、高靈敏度的CCD傳感器，低成本、易實現(xiàn)的STM32微控制器，配以μC/OS-Ⅱ和uCGUI操作及圖形處理系統(tǒng)，因此該嵌入式CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以不依賴于上位機實現(xiàn)任意時間、地點的靈活性數(shù)據(jù)采集。試驗表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡單易行、成本低、分辨率高、開發(fā)方便，可為基于線陣CCD的數(shù)據(jù)采集工作提供一種有效便捷、運行可靠的解決方法。

作者：李亞威陸永華劉斌單位：南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院