基于80C196KB的線陣CCD高速采集系統(tǒng)

1引言
電荷耦合器件(CCD)具有自掃描、光電靈敏度高和幾何尺寸精確等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在光電非接觸測(cè)量中得到了廣泛應(yīng)用。它能將光強(qiáng)分布的空間信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)序列信息，當(dāng)它對(duì)空間光強(qiáng)分布一次采樣后、以電信號(hào)形式串行輸出。為了保證信號(hào)質(zhì)量，在每個(gè)像素上光信號(hào)積分時(shí)間有嚴(yán)格限制，一般要求串行傳送速率為幾千到幾兆赫茲。而在工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)中，廣泛使用的單片機(jī)指令速度相對(duì)較慢。對(duì)于80C196KB單片機(jī)，若外部時(shí)鐘為12MHz，內(nèi)部二分頻后為 6MHz，多數(shù)指令執(zhí)行周期都超過了1us，線陣TCD1208AP信號(hào)輸出典型頻率為1MHz。因而會(huì)由于采集速度過快，CPU速度跟不上而出現(xiàn)數(shù)據(jù)的丟失或混疊，所以必須設(shè)計(jì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
為解決慢速CPU和高速數(shù)據(jù)采集的矛盾，我們采用DMA(Direct Memory Access)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)線陣TCD1208AP輸出數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)采集結(jié)束，CPU再?gòu)拇鎯?chǔ)器讀取數(shù)據(jù)。我們采用FIFO存儲(chǔ)器(First In First 0ut Memory)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的DMA方式存儲(chǔ)，它有兩個(gè)端口(輸人口和輸出口)，并按先進(jìn)先出的順序來暫時(shí)存放數(shù)據(jù)，無需地址發(fā)生器。輸人口和輸出口的工作彼此是獨(dú)立的，只要當(dāng)前存放在FIFO中的數(shù)據(jù)少于FIF0的容量，就可以繼續(xù)向FIF0中寫入數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO存滿數(shù)據(jù)時(shí)，它就會(huì)阻止繼續(xù)寫人數(shù)據(jù)。同樣，只要FIFO內(nèi)部還存在數(shù)據(jù)，就可以繼續(xù)從中讀出數(shù)據(jù)，當(dāng)FIFO中所有的數(shù)據(jù)被讀完時(shí)，就可以繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)。本文采用的是IDT7204，容量為 4096字節(jié)。由于向其寫入一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間（12ns）遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，所以采集速度取決于A/D轉(zhuǎn)換的速度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)主要由單片機(jī)80C196KB、線陣CCD及驅(qū)動(dòng)電路、A/D變換和DMA傳送電路組成，基本原理框圖如圖1所示：
2.1線陣TCD1208AP驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生
線陣TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的線陣CCD，它具有2160個(gè)像元，圖2是其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)序圖：

圖2 TCD1208AP驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序圖

由時(shí)序圖可以看出，芯片正常工作需要四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即：轉(zhuǎn)移信號(hào)SH，其周期為光信號(hào)的積分時(shí)間tINT（INTEGRATION TIME）；復(fù)位信號(hào)RS，時(shí)鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)值為1MHz；兩相移位時(shí)鐘信號(hào)Φ1、Φ2，時(shí)鐘頻率為0.5MHz。TCD1208AP有2160個(gè)像素單元，正常工作時(shí)要有52個(gè)虛設(shè)單元輸出（DUMMY OUTPUTS）信號(hào)。因?yàn)樵撈骷莾闪胁⑿袀鬏?，所以在一個(gè)周期內(nèi)至少要有1106（2212/2=1106）個(gè)Φ1脈沖，即TSH> 1106TΦ1。由時(shí)序圖可以看出，當(dāng)SH信號(hào)高電平期間，CCD積累的信號(hào)電荷包通過轉(zhuǎn)移柵進(jìn)入移位寄存器，移位脈沖Φ1、Φ2要求保持一個(gè)高和低的電平狀態(tài)。