DSP在線陣CCD測量系統(tǒng)中的應用

要：介紹一種基于DSP技術(shù)的線陣CCD測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括：線陣CCD傳感器、DSP、顯示模塊及控制電路等四個部分。在講述CCD光采集工作原理和系統(tǒng)工作原理之后，介紹DSP硬件設(shè)計，最后對DSP處理器軟件設(shè)計進行陳述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器（DSP）；線陣CCD

1 引言
　 電荷耦合器件CCD（charge coupled device）是一種半導體光學成像器件。自從研制成功以來，由于其體積小、高分辨率、高精度、穩(wěn)定性好、抗震動、抗電磁干擾等優(yōu)點，已在工件尺寸測量，工件表面質(zhì)量檢測，物體熱膨脹系數(shù)檢測，以及圖像傳真，攝像機，智能傳感器等方面得到了廣泛的應用，這大大地促進了CCD的發(fā)展。人們也相應地研究了許多處理CCD信號的方法，如處理線性CCD的小波分析法，重心法等。這些方法對處理CCD信號的處理器提出了很高的要求，尋找滿足這些要求的處理器已成當務之急。數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種具有高速性，實時性和豐富的芯片內(nèi)部資源的處理器，為人們解決這個難題提供了一條新路。本文將以TMS320LF2407A DSP為例，介紹DSP在線性CCD測量系統(tǒng)中的應用。

2 系統(tǒng)工作原理及過程
　　
　　基于DSP技術(shù)的線陣CCD測量系統(tǒng)主要由線陣CCD、DSP處理器、圖形液晶顯示器、控制電路等幾部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的工作過程如下：CCD傳感器的光敏單元受光的激發(fā)將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并在驅(qū)動脈沖的作用下輸出。CCD的輸出信號為離散的模擬脈沖序列，在DSP處理器對它進行處理之前，須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換。處理器將模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲器中以便進一步處理。最后DSP根據(jù)用戶的要求將處理結(jié)果上經(jīng)圖形液晶顯示器顯示給用戶。

3 硬件組成
3.1 TMS320LF2407A DSP
　　TMS320LF2407A是TI 公司推出的16位定點DSP。該處理器采用改進型哈佛結(jié)構(gòu)，CPU經(jīng)過專門的硬件邏輯設(shè)計，指令的執(zhí)行采用流水線方式，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)使得TMS320LF2407A DSP具有高度的并行性和實時性。
　　TMS320LF2407A在片資源豐富，片內(nèi)除有32k字的FLASH ROM，2.5k字的RAM外，還有帶內(nèi)置采樣和保持的10位精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），最小轉(zhuǎn)換時間500ns； 兩個事件管理器模塊（每個事件管理器都含有兩個可編程定時器），串行通信接口模塊（SCI），串行外設(shè)接口模塊（SPI），CAN控制器模塊等外設(shè)。此外，該處理器有多達41個通用.雙向的數(shù)字I/O引腳，用戶可根據(jù)自己的需求進行軟件設(shè)置。這些使得該芯片在應用上具有極大的靈活性。

3.2 線陣CCD傳感器
　　采用TCD102C線性CCD為例子。它是一二相雙溝道線陣CCD攝像器件，有效光敏單元2048個，光敏陣列長約28.672mm，光積分時間 TSH不小于2084ms，驅(qū)動頻率為1MHz，其占空比為1:3。傳感器內(nèi)部具有采用保持電路。 其工作脈沖時序圖如圖2所示。轉(zhuǎn)移脈沖FSH 的周期即一次光積分的時間大于2084 個T（T為驅(qū)動脈沖的 F R 的周期），高電平時間至少為一個T。F1 、F2 的頻率為F R 的一半。



3.3 顯示電路和外部控制電路模塊
　　由于液晶顯示器（LCD）具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄等諸多其他顯示器無法比擬的優(yōu)點，它被廣泛地應用于各種智能型儀器和低功耗電子產(chǎn)品中。因此，本文將以液晶顯示器MG-12232作為線陣CCD測量系統(tǒng)中的顯示模塊。
　　測量系統(tǒng)的控制電路采用控制按鍵，這樣可使系統(tǒng)的硬件電路更為簡單。

4 系統(tǒng)設(shè)計
4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
4.1.1 DSP處理器與線陣CCD間的硬件接線
　　由于TCD102C線陣CCD傳感器的光積分時間TSH與入射光的強度，光敏單元的個數(shù)，驅(qū)動脈沖的頻率有關(guān)。為了使系統(tǒng)正常工作，傳感器的驅(qū)動脈沖信號應由DSP處理器產(chǎn)生。TCD102C線陣CCD傳感器的工作脈沖有FSH 、F1 、F2 、F R 、FSP ，它們的時序圖如圖2所示。從圖2中線陣CCD傳感器的驅(qū)動脈沖的分析可知，傳感器的驅(qū)動脈沖都為周期性方波但周期和占空比不同。LF2407A DSP 處理器的片內(nèi)含有兩個事件管理模塊EVA和EVB，每個事件管理模塊包括通用定時器、比較單元等電路。DSP處理器的通用定時器具有比較操作功能，每個通用定時器都有一個相關(guān)的比較寄存器TxCMPR 和一個PWM輸出引腳TxPWM 。定時器的值總是與相關(guān)的比較寄存器的值進行比較，當定時器的記數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時，就產(chǎn)生了比較匹配。如果比較使能的話，相應的引腳的輸出將發(fā)生跳變，且跳變的極性可由用戶通過軟件進行設(shè)置?？梢娎闷瑑?nèi)事件管理器資源產(chǎn)生脈沖控制信號并經(jīng)DSP的引腳輸出至CCD傳感器的驅(qū)動電路引腳的方法，使得系統(tǒng)的硬件電路大為簡化。

　　在該系統(tǒng)設(shè)計中，定時器T3，T4，T1 ，T2分別用于產(chǎn)生光積分脈沖FSH ，驅(qū)動脈沖F1 、F R 、 FSP ，F(xiàn)1經(jīng)反相器后變可得到 F2。CCD傳感器的輸出光積分信號直接送DSP處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入引腳ADCIN00。CCD傳感器與DSP處理器間的硬件接線如圖3 所示。





4.1.2 DSP處理器與顯示模塊及控制模塊間的硬件設(shè)計
　　為使測量系統(tǒng)硬件電路簡單，DSP處理器與控制電路及顯示模塊的硬件設(shè)計充分利用DSP處理器的通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳。

　　TMS320LF2407A DSP處理器有多達41個通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳，其中大多數(shù)的引腳都是基本功能和一般I/O功能復用的引腳。通過9個16位的控制寄存器的軟件設(shè)置，可配置這些引腳的功能并讀取其狀態(tài)和輸出特定的數(shù)據(jù)。

　　顯示模塊MG-12232的硬件接口控制時序設(shè)置為M6800操作時序，DSP處理器的I/O引腳IOPC4-IOPC7 分別接至顯示模塊的控制信號引腳A0，R/W，E1和E2。IOPA0-IOPA7與顯示模塊的數(shù)據(jù)引腳D0-D7相連，用于輸出計算結(jié)果。
　　測量系統(tǒng)的控制電路采用控制按鍵，這樣可使系統(tǒng)的硬件電路更為簡單。按鍵的動作可控制DSP處理器的IOPD0的電平的高低。用戶設(shè)置DSP處理器I/O 引腳的為數(shù)據(jù)讀入方式，DSP處理器的主程序可讀取I/O 引腳的狀態(tài)值。主程序根據(jù)IOPD0引腳的狀態(tài)值控制測量系統(tǒng)的工作。



　　DSP處理器與顯示模塊及控制模塊間的硬件連接如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.2.1 測量系統(tǒng)的軟件設(shè)計思想
　主程序流程如圖5所示。



　復位脈沖FR每到來一次CCD傳感器將輸出一個光敏單元信號，DSP處理器片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 對該信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。因此，光敏單元信號的輸出及模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作在時間上須同步。DSP 處理器定時器的比較匹配信號可作為的ADC的啟動信號源 ，這一點為設(shè)計帶來了極大的便利。只要通過軟件設(shè)置ADC的控制寄存器相應的控制位，置定時器的比較匹配信號啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可達到光積分信號及模數(shù)轉(zhuǎn)換器同步的目的。每次ADC的轉(zhuǎn)換完成都將產(chǎn)生中斷信號，提示處理器提取數(shù)據(jù)。

　　由于定時器及ADC的中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能比較簡單，在本文中不給出具體的流程圖。

4.2.2系統(tǒng)各部分初始化程序
（1）通用、雙向的數(shù)字I/O（GPIO）引腳配置程序：
　　GPIO引腳控制寄存器可分為兩類：（1）I/O復用控制寄存器（MCRx）：用來控制選擇I/O口作為基本功能或一般I/O引腳功能；（2）數(shù)據(jù)和方向控制寄存器（P xDATDIR）：當I/O口用作一般I/O引腳功能時，用數(shù)據(jù)和方向控制寄存器可控制數(shù)據(jù)和到雙向I/O引腳的數(shù)據(jù)方向。
LACL MCRA
OR #0000 0000 0000 1100b ；設(shè)置定時器T1、T2的比較輸出引腳為基本功能 ，IOPA0-IOPA7為一般IO口引腳
SACL MCRA
LACL MCRB
OR #1111 1110 0000 0000b ；設(shè)置IOPC0-IOPC7，IOPD0為一般IO口引腳
SACL MCRB
LACL MCRC
OR #0000 1100 0000 0000b ；設(shè)置定時器T3、T4的比較輸出引腳為基本功能
SACL MCRC
LACL PADATDIR
OR #1111 1111 xxxx xxxxb ；設(shè)置引腳IOPA0-IOPA7數(shù)據(jù)方向為輸出方式，x表示在IOPA0-IOPA7引腳應輸出的數(shù)據(jù)
SACL PADATDIR
LACL PCDATDIR
OR #1111 0000 xxxx 0000b ；設(shè)置引腳IOPC4-IOPC7數(shù)據(jù)方向為輸出方式，x表示在IOPC4-IOPC7引腳應輸出的數(shù)據(jù)
SACL PCDATDIR
LACL PDDATDIR
OR #0000 0000 0000 000xb ；設(shè)置引腳IOPD0數(shù)據(jù)方向為輸入方式,x 表示該引腳的讀入的狀態(tài)

SACL PDDATDIR


（2）定時器初始化程序

　　由于片內(nèi)各定時器的控制寄存器的設(shè)置方式相同，只是對應的寄存器的值不同，這里僅以定時器T1設(shè)計為例。

LDP #DP_EVA


SPLK #0000 0001 1100 0110b，GPTCONA
；置定時器T1的比較中斷標志來啟動模數(shù)轉(zhuǎn)換,定時器T1的比較輸出引腳的輸出極性為高有效

SPLK #0001 0000 0000 0110b，T1CON
；定時器T1為連續(xù)增計數(shù)模式,預分頻系數(shù)為1，使用內(nèi)部時鐘定時器T1比較使能定時器T1未使能

SPLK #28H，T1PR
；內(nèi)部時鐘設(shè)為40M，定時器T1的周期為1μs

SPLK #1EH，T1CMPR
；脈沖FR的占空比為1：3

SPLK #00H，T1CNT
；置定時器T1的計數(shù)寄存器的值為0.





（3） ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化程序：

LDP #DP_PF2


SPLK #0000 0000 0000 0000b ，ADCTRL1
；設(shè)置ADC控制寄存器

SPLK #0400H ，ADCTRL2


SPLK #0000H ，MAXCONV
；置最大轉(zhuǎn)換通道數(shù)為1

SPLK #0000H ，CHESELSEQ1
；置轉(zhuǎn)換通道順序： 通道0為第一個轉(zhuǎn)換開始的通道

SPLK #0000H ，CHESELSEQ2




5 結(jié) 束 語
　　本文圍繞對數(shù)據(jù)處理的過程介紹了DSP在線陣CCD測量系統(tǒng)中的應用。系統(tǒng)工作過程包括光信號采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP處理和顯示等幾個部分。由于DSP具有豐富的在片資源，這使得DSP在線陣CCD測量系統(tǒng)中的硬件設(shè)計頗為簡單，同時DSP的運算功能強大的特點及良好的實時性，使得其在對數(shù)據(jù)處理方面游刃有余。DSP技術(shù)必將在CCD技術(shù)系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

參 考 文 獻
[1] 蔡文貴，李永遠，許振華，CCD技術(shù)及應用。北京，電子工業(yè)出版社，1992。
[2] 王慶有，孫學珠，CCD應用技術(shù)。天津，天津大學出版社，1993。
[3] 劉和平等，TMS320LF240X DSP的結(jié)構(gòu)、原理及應用。北京，北京航空航天大學出版社，2002。
[4] 李為民，邢曉正，戴禮榮，胡紅專，DSP技術(shù)在線陣CCD測量系統(tǒng)中的應用。
儀器儀表學報，2002，（2）：183-185。
[5] 徐大成，翁桂榮，線陣CCD數(shù)據(jù)的高速采集系統(tǒng)。傳感器技術(shù)，2002，（9）：
45-47。
[6] TI公司，CC2000 Help Document.
[7] TI公司，TMS320LF2407 DSP Datasheet
[8] TI公司，TMS320C24x DSP Controllers Reference Set
[9] TI公司，TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Periphrals Reference.