基于DSP的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 前言
CCD(電荷耦合器件，Charge Coupled Device)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體光電成像器件。它具有體積小、分辨力高、精度高、穩(wěn)定性能良好、堅(jiān)固、抗振動(dòng)、抗電磁干擾等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工件尺寸測(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。隨著CCD的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，人們要求能夠快速準(zhǔn)確地處理CCD輸出信號(hào)。而DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)是一種具有高速性、實(shí)時(shí)性且片內(nèi)資源豐富的處理器。
本文將以TMS320VC5502 DSP和TLVl572ADC為例介紹一種基于DSP的線陣CCD輸出信號(hào)采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)概述
本系統(tǒng)主要由線陣CCD、ADC、DSP和PC機(jī)等組成。系統(tǒng)工作時(shí)，被檢測(cè)對(duì)象的光信息通過(guò)光學(xué)成像系統(tǒng)成像于CCD的光敏面上，CCD的光敏像元將其上的光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電荷量。在一定時(shí)鐘頻率脈沖的驅(qū)動(dòng)下，在CCD的輸出端可以獲得被測(cè)對(duì)象的視頻信號(hào)。在用DSP進(jìn)行處理之前，必須經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，DSP將A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以便后續(xù)處理，最后DSP根據(jù)用戶的要求將處理結(jié)果上傳給PC機(jī)。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。

3 基本硬件組成
3.1 TMS320VC5502
TMS320VC5502是在C54x系列DSP的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，能夠與C54x系列DSP兼容，但與之相比，則具有更高的性能和更低的功耗。TMS320VC5502屬于定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。最高主頻可達(dá)300 MHz，最大處理能力高達(dá)600 MI/s。TMS320VC5502片內(nèi)資源豐富，具有32 Kxl6 bit的片內(nèi)RAM、16 Kxl6 bit的片內(nèi)ROM、鎖相環(huán)發(fā)生器(PLL)、6個(gè)相互獨(dú)立編程的DMA控制器、3個(gè)多通道緩沖串口(McBSP)、定時(shí)器和32位外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口(EMIF)等。其中32位的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口可實(shí)現(xiàn)與異步存儲(chǔ)器件(SRAM、EPROM)和同步存儲(chǔ)器件(SDRAM、SBRAM)的無(wú)縫連接，最大可尋址8 Mxl6 bit的外部存儲(chǔ)空間。
TMS320VC5502的存儲(chǔ)器配置文件如下：

3.2 TCDl206SUP
TCDl206SUP是由日本東芝公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低噪聲線陣CCD器件(2 160像元)，具有較高的靈敏度和很低的暗電流噪聲。TCDl206SUP內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器的對(duì)外接口采用標(biāo)準(zhǔn)的9針(DB9)連接。其中FC為行同步脈沖信號(hào)；SP為像元同步脈沖；UO為經(jīng)過(guò)放大輸出的視頻信號(hào)：AO-A3為積分時(shí)間設(shè)置端口；+5 V和+12 V為直流電源；GND為地線。本驅(qū)動(dòng)器的地線與DB9連接口的外殼相連。行同步脈沖FC的上升沿對(duì)應(yīng)于CCD有效視頻輸出的開(kāi)始(通常線陣CCD輸出的前端都包含有若干像元的無(wú)效信號(hào))。相鄰兩個(gè)FC時(shí)間間隔即為實(shí)際的積分時(shí)間。像元同步脈沖SP的上升沿對(duì)應(yīng)于單個(gè)像元的視頻輸出。如果需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，則應(yīng)當(dāng)在SP的上升沿對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行采樣。FC、SP和輸出視頻信號(hào)U0的時(shí)序關(guān)系如圖2所示。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換器TLVl572
本系統(tǒng)選用的是TI公司的lO位高速串行逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器TLVl572。該器件采用5 V單電壓供電，最高采樣速率可達(dá)1.25 MS/s，可通過(guò)McBSP(Multi-channel Buffered Serial Ports，多通道緩沖串口)與TMS320系列DSP實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。
TLV1572有兩種工作方式，即微處理器工作方式和DSP工作方式。當(dāng)TLVl572的片選信號(hào)CS為高時(shí)，器件處于三態(tài)或者節(jié)電狀態(tài)。當(dāng)CS信號(hào)由高變低時(shí)，將在CS信號(hào)的下降沿檢測(cè)幀同步信號(hào)FS的輸入狀態(tài)，如果FS為低電平，則器件將進(jìn)入DSP工作方式；如果FS為高電平，則將進(jìn)入微處理器工作方式。當(dāng)TLVl572工作于DSP方式時(shí)，通過(guò)CS、SCLK、DO、FS四個(gè)引腳與DSP的多通道同步緩沖串口(McBSP)相連。其中SCLK為同步時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)接收McBSP的時(shí)鐘信號(hào)，達(dá)到與McBSP的時(shí)鐘同步。DO為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)輸出。幀同步信號(hào)FS可以是從McBSP接收的同步信號(hào)，也可以是一個(gè)外部同步信號(hào)。在完成DSP工作方式的選擇后，TLVl572將在每個(gè)SCLK信號(hào)的下降沿檢測(cè)FS信號(hào)的狀態(tài)，若檢測(cè)到FS為高電平，則對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣與轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備就緒。一旦FS信號(hào)變低，DO引腳便開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)，在輸出6個(gè)0位后，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)便在SCLK的上升沿輸出，在SCLK的下降沿被DSP鎖存。采樣將在FS信號(hào)變低后SCLK信號(hào)的第一個(gè)下降沿開(kāi)始，直到第6個(gè)0位輸出的下降沿為止。圖3是TLVl572工作于DSP模式時(shí)的時(shí)序圖。

TLVl572在最低位數(shù)據(jù)LSB輸出后，將自動(dòng)進(jìn)入節(jié)電模式，下一個(gè)幀同步信號(hào)FS的到來(lái)將把它從節(jié)電模式喚醒。TLVl572在幀同步信號(hào)FS的下降沿后將用16個(gè)SCLK周期完成整個(gè)采樣與轉(zhuǎn)換過(guò)程，如果幀同步信號(hào)在第16位輸出時(shí)到來(lái)，則下一個(gè)采樣與轉(zhuǎn)換過(guò)程將在下一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)SCLK的上升沿開(kāi)始，這樣就實(shí)現(xiàn)了背靠背的連續(xù)轉(zhuǎn)換。

4 系統(tǒng)工作流程
整個(gè)系統(tǒng)的工作流程分為以下幾個(gè)步驟：
(1)CCD光積分時(shí)間控制；
(2)CCD光信號(hào)的采集：其輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并傳輸給DSP，DSP保存和處理A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果；
(3)DSP將結(jié)果返回給PC機(jī)，PC機(jī)顯示或保存結(jié)果。
4.1 CCD光積分時(shí)間控制
CCD的光積分時(shí)間控制信號(hào)AO-A3均為標(biāo)準(zhǔn)TTL電平控制，0000～1111分別控制16檔積分時(shí)間變換；0000時(shí)間最短，1111時(shí)間最長(zhǎng)。實(shí)際驅(qū)動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短取決于驅(qū)動(dòng)頻率以及CCD器件的型號(hào)。將AO-A3四個(gè)端口通過(guò)一個(gè)74HC573鎖存器與DSP的數(shù)據(jù)線D0-D3相連，并將DSP的地址線A21與空間選擇信號(hào)CE3組合后與鎖存器的鎖存使能引腳相連，從而完成對(duì)CCD光積分時(shí)間的控制。
4.2 CCD信號(hào)采集
將CCD的行同步信號(hào)FC接入DSP的通用輸入/輸出引腳GPI03。將CCD的像元同步信號(hào)SP反相以后接入TLVl572的幀同步信號(hào)引腳FS及DSP的McBSP幀同步輸入引腳，F(xiàn)SR為幀同步信號(hào)，控制每一個(gè)像元的采樣與轉(zhuǎn)換。將DSP的XF引腳接TLVl572的CS引腳作為A/D轉(zhuǎn)換器的選通信號(hào)。將TLVl572的串行時(shí)鐘輸入SCLK連至DSP McB-SP的時(shí)鐘輸出腳CLKX，保證A/D轉(zhuǎn)換器和McBSP工作在同一時(shí)鐘。TLVl572的輸出引腳DO與McBSP的輸入引腳DR相連。
當(dāng)程序進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)后，開(kāi)始檢測(cè)DSP的GPI03引腳上的輸入值。若輸入為低電平，不作任何處理；若輸入變?yōu)楦唠娖?，則讓XF引腳輸出低電平，選通A/D轉(zhuǎn)換器，在第二個(gè)SP脈沖上升沿到來(lái)時(shí)開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣與轉(zhuǎn)換(SP信號(hào)經(jīng)過(guò)反相后，相當(dāng)于A/D的幀同步脈沖FS的下降沿到來(lái))。因?yàn)閺臋z測(cè)到GPI03輸入由低電平變?yōu)楦唠娖?，直到XF引腳發(fā)出選通信號(hào)將A/D選通要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延遲，所以可以保證A/D轉(zhuǎn)換器TLVl572進(jìn)入DSP模式，TLVl572將從第二個(gè)點(diǎn)開(kāi)始采樣與轉(zhuǎn)換。一個(gè)像元的轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)被McBSP接收完畢后，McBSP將發(fā)出一個(gè)接收中斷到CPU，CPU響應(yīng)此中斷后將數(shù)據(jù)從McBSP的緩沖寄存器中讀入內(nèi)存，然后退出中斷，進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)信號(hào)的接收。還需設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)變量，在每一次中斷后對(duì)其進(jìn)行加1操作，當(dāng)計(jì)數(shù)變量的值達(dá)到2 160時(shí)，撤銷(xiāo)XF信號(hào)，一個(gè)完整的對(duì)CCD一行的輸出信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換完成。
其信號(hào)采集過(guò)程如下：

4.3 與PC機(jī)通信
系統(tǒng)選用MAX232實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。具體的串行通信接口電路如圖4所示。MAX232通過(guò)一個(gè)DB9連接器與PC機(jī)的COM口連接。DSP串行數(shù)據(jù)接收端RXD連接至MAX232的輸出端R1OUT，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD連接至MAX232的輸入端T1IN。

5 結(jié)束語(yǔ)
本文提出一種基于DSP的線陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可靠性好、易于實(shí)現(xiàn)，具有一定的通用性。在對(duì)DSP進(jìn)一步擴(kuò)展鍵盤(pán)和液晶顯示器后，該系統(tǒng)可作為一種便攜式儀器的硬件基礎(chǔ)。