基于80C196KB的线阵CCD高速采集系统

1引言
电荷耦合器件(CCD)具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接触测量中得到了广泛应用。它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分布一次采样后、以电信号形式串行输出。为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令速度相对较慢。对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为 6MHz，多数指令执行周期都超过了1us，线阵TCD1208AP信号输出典型频率为1MHz。因而会由于采集速度过快，CPU速度跟不上而出现数据的丢失或混叠，所以必须设计高速数据采集系统。
为解决慢速CPU和高速数据采集的矛盾，我们采用DMA(Direct Memory Access)方式实现对线阵TCD1208AP输出数据的采集，当采集结束，CPU再从存储器读取数据。我们采用FIFO存储器(First In First 0ut Memory)实现数据的DMA方式存储，它有两个端口(输人口和输出口)，并按先进先出的顺序来暂时存放数据，无需地址发生器。输人口和输出口的工作彼此是独立的，只要当前存放在FIFO中的数据少于FIF0的容量，就可以继续向FIF0中写入数据，当FIFO存满数据时，它就会阻止继续写人数据。同样，只要FIFO内部还存在数据，就可以继续从中读出数据，当FIFO中所有的数据被读完时，就可以继续写入数据。本文采用的是IDT7204，容量为 4096字节。由于向其写入一个数据的时间（12ns）远小于A/D转换时间，所以采集速度取决于A/D转换的速度。

2 系统硬件设计
系统主要由单片机80C196KB、线阵CCD及驱动电路、A/D变换和DMA传送电路组成，基本原理框图如图1所示：
2.1线阵TCD1208AP驱动信号的产生
线阵TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生产的线阵CCD，它具有2160个像元，图2是其驱动信号的时序图：

图2 TCD1208AP驱动信号时序图

由时序图可以看出，芯片正常工作需要四路驱动信号，即：转移信号SH，其周期为光信号的积分时间tINT（INTEGRATION TIME）；复位信号RS，时钟频率标准值为1MHz；两相移位时钟信号Φ1、Φ2，时钟频率为0.5MHz。TCD1208AP有2160个像素单元，正常工作时要有52个虚设单元输出（DUMMY OUTPUTS）信号。因为该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少要有1106（2212/2=1106）个Φ1脉冲，即TSH> 1106TΦ1。由时序图可以看出，当SH信号高电平期间，CCD积累的信号电荷包通过转移栅进入移位寄存器，移位脉冲Φ1、Φ2要求保持一个高和低的电平状态。
采用IC驱动方法产生驱动信号，系统用同一时钟对这四路驱动信号进行控制，已保证相互之间的确定时间关系，然后使用分频器对时钟脉冲分频以产生各路驱动信号所需的波形。

图1 系统构成框图

2.1.1 时钟信号的产生
使用电阻可编程晶振ＬＴＣ１７９９提供准确的时钟，它的输出频率 可在1KHz～33MHz的范围内灵活变化 ,并可通过一个外部电阻 和一个三态分频器引脚div进行设置 。
LTC1799的外接电阻为 ，计算公式：

其中N为分频比，当div管脚接地时，N=1。2MHz时钟所需要的电阻 =50KΩ，8MHz时钟所需要的电阻 =12.5KΩ。
2.1.2 分频电路
分频电路可以选用D触发器（74HC74），带置位、清零端，较易控制。74HC74芯片用于二分频电路时，管脚

图5 数据采集程序流程图

4 结束语
基于单片机的线阵CCD的高速采集系统的设计，必须要解决两个关键的问题：第一，线阵CCD与接口电路必须有严格的同步关系，在设计中，用线阵CCD的行转移信号SH和采样信号RS作为同步信号，SH信号控制总线控制器的使能和禁止，实现数据总线的通和断，RS信号作为A/D变换的VIDSAMP信号，保证了对每一个输出像元的准确采集、变换。第二，要解决慢速CPU和高速数据采集的矛盾，设计中采用FIFO器件实现数据采集的DMA方式，很好的解决了这一矛盾。

参考文献：
[1] 王庆有.图像传感器应用技术.北京：电子工业出版社，2003.
[2] 孙涵芳.Intel 16位单片机.北京：北京航空航天大学出版社，1995.
[3] 张智辉.线阵CCD驱动电路设计的几种方法.仪表技术与传感器，2004，6:32～33.
[4] 日本TOSHIIBA公司线阵CCD数据手册.1997.
[5] 美国MAXIM公司MAX1101数据手册.1996.