DSP在線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用

要：介紹一種基于DSP技術(shù)的線陣CCD測(cè)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(gè)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(jì)，最后對(duì)DSP處理器軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行陳述。

關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)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(dǎo)體光學(xué)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(dòng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，已在工件尺寸測(cè)量，工件表面質(zhì)量檢測(cè)，物體熱膨脹系數(shù)檢測(cè)，以及圖像傳真，攝像機(jī)，智能傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用，這大大地促進(jìn)了CCD的發(fā)展。人們也相應(yīng)地研究了許多處理CCD信號(hào)的方法，如處理線性CCD的小波分析法，重心法等。這些方法對(duì)處理CCD信號(hào)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(dāng)務(wù)之急。數(shù)字信號(hào)處理器（Digital Signal Processor，DSP）是一種具有高速性，實(shí)時(shí)性和豐富的芯片內(nèi)部資源的處理器，為人們解決這個(gè)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(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 系統(tǒng)工作原理及過程
　　
　　基于DSP技術(shù)的線陣CCD測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下輸出。CCD的輸出信號(hào)為離散的模擬脈沖序列，在DSP處理器對(duì)它進(jìn)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(chǔ)器中以便進(jìn)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(diǎn)DSP。該處理器采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，CPU經(jīng)過專門的硬件邏輯設(shè)計(jì)，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(shí)時(shí)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(shí)間500ns； 兩個(gè)事件管理器模塊（每個(gè)事件管理器都含有兩個(gè)可編程定時(shí)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(dá)41個(gè)通用.雙向的數(shù)字I/O引腳，用戶可根據(jù)自己的需求進(jìn)行軟件設(shè)置。這些使得該芯片在應(yīng)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(gè)，光敏陣列長(zhǎng)約28.672mm，光積分時(shí)間 TSH不小于2084ms，驅(qū)動(dòng)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(shí)序圖如圖2所示。轉(zhuǎn)移脈沖FSH 的周期即一次光積分的時(shí)間大于2084 個(gè)T（T為驅(qū)動(dòng)脈沖的 F R 的周期），高電平時(shí)間至少為一個(gè)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(diǎn)，它被廣泛地應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)中的顯示模塊。
　　測(cè)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(jiǎn)單。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(shí)間TSH與入射光的強(qiáng)度，光敏單元的個(gè)數(shù)，驅(qū)動(dòng)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(dòng)脈沖信號(hào)應(yīng)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(shí)序圖如圖2所示。從圖2中線陣CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)脈沖的分析可知，傳感器的驅(qū)動(dòng)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(gè)事件管理模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理模塊包括通用定時(shí)器、比較單元等電路。DSP處理器的通用定時(shí)器具有比較操作功能，每個(gè)通用定時(shí)器都有一個(gè)相關(guān)的比較寄存器TxCMPR 和一個(gè)PWM輸出引腳TxPWM 。定時(shí)器的值總是與相關(guān)的比較寄存器的值進(jìn)行比較，當(dāng)定時(shí)器的記數(shù)器的值與比較寄存器的值相等時(shí)，就產(chǎn)生了比較匹配。如果比較使能的話，相應(yīng)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(jìn)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(hào)并經(jīng)DSP的引腳輸出至CCD傳感器的驅(qū)動(dòng)電路引腳的方法，使得系統(tǒng)的硬件電路大為簡(jiǎn)化。

　　在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，定時(shí)器T3，T4，T1 ，T2分別用于產(chǎn)生光積分脈沖FSH ，驅(qū)動(dòng)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(hào)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(jì)
　　為使測(cè)量系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，DSP處理器與控制電路及顯示模塊的硬件設(shè)計(jì)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(dá)41個(gè)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(fù)用的引腳。通過9個(gè)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(shí)序設(shè)置為M6800操作時(shí)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(hào)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(jì)算結(jié)果。
　　測(cè)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(jiǎn)單。按鍵的動(dòng)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(cè)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(jì)
4.2.1 測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)思想
　主程序流程如圖5所示。



　復(fù)位脈沖FR每到來一次CCD傳感器將輸出一個(gè)光敏單元信號(hào)，DSP處理器片內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC 對(duì)該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理。因此，光敏單元信號(hào)的輸出及模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作在時(shí)間上須同步。DSP 處理器定時(shí)器的比較匹配信號(hào)可作為的ADC的啟動(dòng)信號(hào)源 ，這一點(diǎn)為設(shè)計(jì)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(yīng)的控制位，置定時(shí)器的比較匹配信號(hào)啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，即可達(dá)到光積分信號(hào)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(hào)，提示處理器提取數(shù)據(jù)。

　　由于定時(shí)器及ADC的中斷程序?qū)崿F(xiàn)的功能比較簡(jiǎn)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(fù)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(dāng)I/O口用作一般I/O引腳功能時(shí)，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(shí)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(shí)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?yàn)檩敵龇绞?，x表示在IOPA0-IOPA7引腳應(yīng)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?yàn)檩敵龇绞剑瑇表示在IOPC4-IOPC7引腳應(yīng)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?yàn)檩斎敕绞?x 表示該引腳的讀入的狀態(tài)

SACL PDDATDIR


（2）定時(shí)器初始化程序

　　由于片內(nèi)各定時(shí)器的控制寄存器的設(shè)置方式相同，只是對(duì)應(yīng)的寄存器的值不同，這里僅以定時(shí)器T1設(shè)計(jì)為例。

LDP #DP_EVA


SPLK #0000 0001 1100 0110b，GPTCONA
；置定時(shí)器T1的比較中斷標(biāo)志來啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換,定時(shí)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(shí)器T1為連續(xù)增計(jì)數(shù)模式,預(yù)分頻系數(shù)為1，使用內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)器T1比較使能定時(shí)器T1未使能

SPLK #28H，T1PR
；內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)為40M，定時(shí)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(shí)器T1的計(jì)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(gè)轉(zhuǎn)換開始的通道

SPLK #0000H ，CHESELSEQ2




5 結(jié) 束 語
　　本文圍繞對(duì)數(shù)據(jù)處理的過程介紹了DSP在線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)工作過程包括光信號(hào)采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換，DSP處理和顯示等幾個(gè)部分。由于DSP具有豐富的在片資源，這使得DSP在線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)頗為簡(jiǎn)單，同時(shí)DSP的運(yùn)算功能強(qiáng)大的特點(diǎn)及良好的實(shí)時(shí)性，使得其在對(duì)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(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)
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