基于單片機(jī)ATmega16的CCD驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

CCD是一種固體成像器件[1]，應(yīng)用廣泛。CCD工作需要多路脈沖驅(qū)動，并且各路脈沖在時(shí)序上要嚴(yán)格對應(yīng)。對于CCD時(shí)序的設(shè)計(jì)，通常采用CPLD和FPGA技術(shù)，CPLD在低頻CCD時(shí)序設(shè)計(jì)中使用[2-4]，F(xiàn)PGA則用在更為復(fù)雜的時(shí)序設(shè)計(jì)中[5]。對于驅(qū)動比較簡單的線陣CCD沒有必要用這種成本比較高的電路。本文針對東芝公司的線陣CCD芯片TCD1304設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)ATmega16的驅(qū)動電路。采用ATmega16的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器timer0的CTC(比較匹配時(shí)清零定時(shí)器)模式和timer1的相位與頻率修正PWM模式產(chǎn)生所需要的基本波形，可通過修改單片機(jī)程序中的參數(shù)來改變輸出波形的頻率和占空比，使得波形調(diào)整便捷。
1 ATmega16的CTC模式及相位與頻率修正PWM模式
　ATmega16的timer0的CTC模式可通過令控制寄存器TCCR0的WGM01=1和WGM00=0來設(shè)定。寄存器OCR0用于調(diào)節(jié)計(jì)數(shù)器的分辨率，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值TCNT0等于OCR0中的值時(shí)計(jì)數(shù)器清零，即OCR0定義了計(jì)數(shù)器的TOP值，亦即分辨率。這個(gè)模式使得用戶可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率。CTC模式的時(shí)序圖如圖1所示。計(jì)數(shù)器數(shù)值TCNT0一直累加到TCNT0與OCR0匹配，然后TCNT0清零。

為了在CTC模式下得到波形輸出，可以設(shè)置輸出腳OC0在每次比較匹配發(fā)生時(shí)改變邏輯電平，這可以通過設(shè)置COM01:0=1來完成。在期望獲得OC0輸出之前，首先要將其端口設(shè)置為輸出。波形發(fā)生器能夠產(chǎn)生的最大頻率由公式fOC0=fclk_I/O/2·N·(1+OCR0)來確定，變量N代表預(yù)分頻因子(1、8、64或1 024)。
　ATmega16的timer1的相位與頻率修正模式可通過令控制寄存器TCCR1A和TCCR1B中的WGM13:0=8或9來設(shè)定。該種模式可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形，其工作時(shí)序圖如圖2所示。這是一種雙斜坡操作的模式，計(jì)數(shù)器重復(fù)地從BOTTOM計(jì)數(shù)到TOP，然后又從TOP倒退回到BOTTOM。TOP的值可由ICR1(WGM13:0=8)或OCR1A(WGM13:0=9)來確定。在一般比較輸出模式下，當(dāng)TCNT1向TOP計(jì)數(shù)時(shí)，若TCNT1與OCR1A相匹配，輸出腳OC1A(B)清零，并置為低電平；當(dāng)TCNT1向BOTTOM計(jì)數(shù)時(shí)，若TCNT1與OCR1A相匹配時(shí)，輸出腳OC1A(B)置為高電平，工作于反向輸出比較時(shí)正好相反。輸出的PWM波形的頻率由公式fOC1A(B)=fclk_I/O/2·N·TOP來確定，變量N代表預(yù)分頻因子(1、8、64或1 024)。通過改變ICR1及OCR1A兩個(gè)寄存器的值就可完成PWM波形占空比的調(diào)整。

2 線陣圖像傳感器TCD1304的時(shí)序分析
CCD芯片TCD1304是一款高靈敏度、低暗電流的線陣圖像傳感器，其光電靈敏度的典型值可達(dá)到160 V/lx.s，可用于條碼掃描、光譜測量等場合。TCD1304有兩種工作方式：普通工作方式和電子快門工作方式，圖3為在普通工作方式下的時(shí)序圖。