基于單片機的線(xiàn)陣CCD實(shí)時(shí)檢測系統方案設計

摘要：分析了線(xiàn)陣CCD用于實(shí)時(shí)檢測系統的特點(diǎn)和要求，介紹了一種基于A(yíng)T89C2051單片機的線(xiàn)陣CCD實(shí)時(shí)檢測系統的設計方案。本方案電路結構簡(jiǎn)單可靠，信號處理靈活檢當，有一定的通用性和啟發(fā)性。

CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應用系統的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和輸出信號的采集與處理。目前驅動(dòng)主要有直接數字電路驅動(dòng)、EPROM驅動(dòng)、專(zhuān)用IC驅動(dòng)、復雜的CPLD驅動(dòng)等常用的驅動(dòng)方法，但是它們存在著(zhù)邏輯設計較為復雜、調試困難、柔性較差等缺點(diǎn)。在數據采集和處理方面，大多數都經(jīng)過(guò)差動(dòng)放大、采樣保持、A／D轉換，再通過(guò)總線(xiàn)或采集卡等接口與PC機相連。這種系統結構龐大，而且在信號處理、通信軟件和界面設計等方面要耗費大量的精力。應該說(shuō)這種應用系統在靜態(tài)測量處理方面有其優(yōu)點(diǎn)，但如果要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)控制系統的連續檢測要求以及系統體積精小而容易裝配等特點(diǎn)，則必須簡(jiǎn)化驅動(dòng)電路、數據采集過(guò)程和處理方式。本文正是出于這種考慮，開(kāi)發(fā)出了一種基于單片機的實(shí)時(shí)性檢測系統：僅用Atmel公司一塊小型的AT89C2051單片機便能產(chǎn)生穩定、精確、高速的驅動(dòng)脈沖。該電路結構簡(jiǎn)單、調試方便、CPU占用率低，將驅動(dòng)、采集和處理融為一體，而且與上位機的連接僅用兩條導線(xiàn)便可實(shí)現檢測信息傳輸。這種方法大大簡(jiǎn)化了線(xiàn)陣CCD檢測系統的結構，在機器人視覺(jué)、智能小車(chē)、軌跡導引等動(dòng)態(tài)檢測方面有獨特的應用優(yōu)勢。

1 線(xiàn)陣CCD實(shí)時(shí)檢測系統模型

以機器人路徑識別為例具體說(shuō)明如何利用線(xiàn)陣CCD開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)環(huán)境檢測系統。

假設在一個(gè)深色(如黑色、藍、綠等)平面上用寬度為30mm的白線(xiàn)作為機器人將要運動(dòng)的軌跡導引線(xiàn)，利用線(xiàn)陣CCD開(kāi)發(fā)出檢測白線(xiàn)軌跡的檢測系統。先利用光學(xué)系統用攝像頭將路面信息成像到CCD的感光面上；然后讀取白線(xiàn)的位置檢測信息作為機器人的視覺(jué)，讓機器人在上位機的控制下沿白線(xiàn)軌跡運動(dòng)。這是一個(gè)典型的CCD實(shí)時(shí)檢測系統。整體檢測系統如圖1所示。

2 硬件設計

利用CCD的光電特性，設計出的電路應能判別視頻信號上輸出的深色和白色區別，這樣才能識別白線(xiàn)，時(shí)刻反應機器人當前所在的物理位置，以便對其運動(dòng)做相應的調整。 線(xiàn)陣CCD選用NEC公司的μPD3575D型號。芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數目為1024，像敏單元大小為14μm×l41μm×l4μm(相鄰像元中心距為14μm)，光敏區域采用高靈敏度和低暗電流PN結作為光敏單元，內置采用保持電路、輸出放大電路，外觀(guān)尺寸為25．5mm×10mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅動(dòng)(脈沖)、12V電源條件下。

系統簡(jiǎn)要電路如圖2所示。驅動(dòng)用的單片機是AT89C2051。它是Atmel公司生產(chǎn)的自帶2KB可編程Flash存儲器的與MSC-51兼容的高性能處理器。它與常規的51芯片有相同的核心和相近的結構功能如RAM、定時(shí)/記數器、中斷結構、串行口、振蕩器和時(shí)鐘電路等；有最高達24MHz的振蕩頻率，能高速地驅動(dòng)CCD；有較少的精簡(jiǎn)I／O端口，因此體積很小，非常適用做小型應用系統的處理器。對很多嵌入式控制應用提供了一個(gè)高度靈活的有效解決方案。本線(xiàn)陣CCD檢測系統發(fā)揮了其小而靈活的特點(diǎn)，既陡系統資源得到了充分的應用又讓系統結陶精簡(jiǎn)緊奏，電路中二值化部分的電位器R_T用來(lái)調整二值化比較電平的閥值(0～5V)，通過(guò)它調節整個(gè)CCD的灰度分辨率。同時(shí)整個(gè)系統對外接口十分簡(jiǎn)單，只需接上電源和兩條通向上位機的信號線(xiàn)。上位機只需等待同步信號FC和檢測脈沖信號BIN_OUT到來(lái)的中斷信號，與AT89C2051相互獨立，彼此之間沒(méi)有任何時(shí)鐘信號或復用關(guān)系。因此實(shí)際運用中器件互換性較強。既可選用普通的AT89C51進(jìn)行一定的端口擴展接收FC和BIN_OUT，也可選用中斷能力較強的SOC芯片C8051FXX系列等。整個(gè)檢測系統具有良好的柔性，最終電路體積可控制在手掌心大小之內。



3 信號時(shí)序及軟件設計

由于硬件設計時(shí)考慮用軟件產(chǎn)生CCD驅動(dòng)信號，這樣軟件設計的最大難點(diǎn)為既要滿(mǎn)足CCD芯片的驅動(dòng)信號要求又要完成檢測信息的完整表述。綜合比較各種方法后得出了整個(gè)軟件設計思路如下：

驅動(dòng)描述：NEC公司的線(xiàn)陣μPD3575D所需驅動(dòng)信號與TOSHIBA公司傳統的TCD系列略有差異，具體驅動(dòng)信號為：時(shí)鐘φ10、轉移脈沖φTG、復位時(shí)鐘φRO和采樣保持時(shí)鐘φSHO，時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

μPD3575D為雙溝道線(xiàn)陣CCD，它有兩列525位的CCD移位寄存器，分列在像敏陣列的兩邊，在一個(gè)積分的φTG周期中至少有525個(gè)φ10脈沖：另外考慮到一些暗信號和空驅動(dòng)．本系統開(kāi)發(fā)中取φ10脈沖寬度約為10μs、φTG積分時(shí)間為12ms。

單片機驅動(dòng)主要是通過(guò)程序編程控制輸出驅動(dòng)的時(shí)序信號，可以通過(guò)修改程序方便地修改輸出時(shí)序，單片機是靠指令產(chǎn)生I／O口的輸出邏輯，在使用邏輯轉移指令時(shí)，必須注意精心配置，避免產(chǎn)生驅動(dòng)時(shí)序相位上的不同步。因為轉移指令要根據某些條件產(chǎn)生程序分支，而分支程序在不同的條件下執行周期通常不同，會(huì )造成CCD驅動(dòng)時(shí)序不同步。