一种基于高速超微型单片机的CCD驱动电路设计

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模数转换器；而对于CCD驱动时序，则有几类常用的产生方法。

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EPR0M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TCDl206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CCD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，CCD采用Toshiba公司的高灵敏度线阵CCD图像传感器芯片TCDl206，双电压供电的总线驱动器LVC4245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AD8031处理，由U0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PO．6、P0．7经LVT245总线驱动器所得)。

　　
U0、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_3～2MHz(本系统为1．MHz)，其驱动时序波形如图2所示。

　　
图2中：φl、φ2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φ1、φ2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 C8051F300
　　
C8051F系列单片机其CPU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25M1PS，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3ram×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φ1、φ2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(CEXO、CEXl)自动产生φl、φ2，以CEXO为基准点，再产生RS和其他脉冲。