基于80C196KB的線(xiàn)陣CCD高速采集系統

1引言
電荷耦合器件(CCD)具有自?huà)呙?、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量中得到了廣泛應用。它能將光強分布的空間信息轉換為電信號序列信息，當它對空間光強分布一次采樣后、以電信號形式串行輸出。為了保證信號質(zhì)量，在每個(gè)像素上光信號積分時(shí)間有嚴格限制，一般要求串行傳送速率為幾千到幾兆赫茲。而在工業(yè)測量系統中，廣泛使用的單片機指令速度相對較慢。對于80C196KB單片機，若外部時(shí)鐘為12MHz，內部二分頻后為 6MHz，多數指令執行周期都超過(guò)了1us，線(xiàn)陣TCD1208AP信號輸出典型頻率為1MHz。因而會(huì )由于采集速度過(guò)快，CPU速度跟不上而出現數據的丟失或混疊，所以必須設計高速數據采集系統。
為解決慢速CPU和高速數據采集的矛盾，我們采用DMA(Direct Memory Access)方式實(shí)現對線(xiàn)陣TCD1208AP輸出數據的采集，當采集結束，CPU再從存儲器讀取數據。我們采用FIFO存儲器(First In First 0ut Memory)實(shí)現數據的DMA方式存儲，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(lái)暫時(shí)存放數據，無(wú)需地址發(fā)生器。輸人口和輸出口的工作彼此是獨立的，只要當前存放在FIFO中的數據少于FIF0的容量，就可以繼續向FIF0中寫(xiě)入數據，當FIFO存滿(mǎn)數據時(shí)，它就會(huì )阻止繼續寫(xiě)人數據。同樣，只要FIFO內部還存在數據，就可以繼續從中讀出數據，當FIFO中所有的數據被讀完時(shí)，就可以繼續寫(xiě)入數據。本文采用的是IDT7204，容量為 4096字節。由于向其寫(xiě)入一個(gè)數據的時(shí)間（12ns）遠小于A(yíng)/D轉換時(shí)間，所以采集速度取決于A(yíng)/D轉換的速度。

2 系統硬件設計
系統主要由單片機80C196KB、線(xiàn)陣CCD及驅動(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(xiàn)陣TCD1208AP驅動(dòng)信號的產(chǎn)生
線(xiàn)陣TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的線(xiàn)陣CCD，它具有2160個(gè)像元，圖2是其驅動(dòng)信號的時(shí)序圖：

圖2 TCD1208AP驅動(dòng)信號時(shí)序圖

由時(shí)序圖可以看出，芯片正常工作需要四路驅動(dòng)信號，即：轉移信號SH，其周期為光信號的積分時(shí)間tINT（INTEGRATION TIME）；復位信號RS，時(shí)鐘頻率標準值為1MHz；兩相移位時(shí)鐘信號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)虛設單元輸出（DUMMY OUTPUTS）信號。因為該器件是兩列并行傳輸，所以在一個(gè)周期內至少要有1106（2212/2=1106）個(gè)Φ1脈沖，即TSH> 1106TΦ1。由時(shí)序圖可以看出，當SH信號高電平期間，CCD積累的信號電荷包通過(guò)轉移柵進(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)。