基于MSP430的高速線(xiàn)陣CCD采集系統設計

　　摘要：針對線(xiàn)陣CCD(Charge Coupled Device)及其外圍器件時(shí)序復雜的特點(diǎn)，設計了一種高速線(xiàn)陣CCD采集系統。該系統采用MSP430單片機產(chǎn)生PWM信號實(shí)現各器件驅動(dòng)時(shí)序，并將采集結果通過(guò)串口發(fā)送至上位機。介紹了系統組成及各器件時(shí)序同步的設計方法。實(shí)驗結果表明，該線(xiàn)陣CCD采集系統能夠很好的滿(mǎn)足設計要求，可作為模塊化電路集成到其它測量系統中。

　　CCD是新型光電轉換器件，具有體積小、高靈敏度、低噪聲、讀出速度快、動(dòng)態(tài)范圍高和全譜響應等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應用到圖像傳感和非接觸式測量等領(lǐng)域。正確的CCD驅動(dòng)需要嚴格的時(shí)序對應關(guān)系，傳統的CCD驅動(dòng)方式存在著(zhù)調試困難、靈活性差等缺點(diǎn)，當驅動(dòng)電路工作在高頻時(shí)鐘時(shí)會(huì )出現嚴重的干擾現象，各邏輯驅動(dòng)信號不能滿(mǎn)足其嚴格的相位關(guān)系，導致系統工作不穩定，已不能滿(mǎn)足其應用的需要。因此，CCD采集系統設計的好壞直接影響CCD驅動(dòng)時(shí)序和輸出信號的質(zhì)量，核心是CCD及外圍器件時(shí)序產(chǎn)生及同步的設計。

　　本文結合TI公司16位低功耗單片機MSP430，使用PWM方式產(chǎn)生操作時(shí)序，不需外加CPLD等復雜邏輯器件。實(shí)驗結果表明：該系統設計中電路和時(shí)序均能夠很好的滿(mǎn)足要求，生成波形良好，能很好的滿(mǎn)足各相位關(guān)系。

　　1 系統組成

　　本系統采用索尼公司ILX511還原型線(xiàn)陣CCD，該CCD內置時(shí)鐘發(fā)生器與保持電路、具有易于操作等特點(diǎn)。硬件電路主要由線(xiàn)陣CCD與跟隨電路部分、數據處理與存儲部分、電壓轉換部分和MSP430部分組成。軟件由初始化部分、數據處理與存儲部分、通訊部分構成。系統總體框圖如圖1所示。

　　2 硬件設計

　　2.1 線(xiàn)陣CCD與跟隨電路部分

　　ILX511線(xiàn)陣CCD有效像素為2 048個(gè)，內部結構如圖2所示。CCD通過(guò)模擬移位寄存器在VOUT引腳串行輸出信號到后續電路。Vour以2.8 V為基準，輸出表征光照強度的模擬電壓值，該電壓值滿(mǎn)足后端模數轉換器輸入范圍，故不需要放大電路。此外，本設計中將SHSW與GND直接相連，ILX511使用內部采樣保持模式輸出信號。

　　由于ILX511輸出阻抗為250歐姆，在ILX511與ADC(模數轉換芯片)之間需增加電壓跟隨器實(shí)現阻抗變換?？紤]CCD的工作頻率和單電源特性，選擇運放AD8041作為電壓跟隨器芯片。線(xiàn)陣CCD與跟隨器電路圖如圖3所示。

　　2.2 數據處理與存儲部分

　　ADC的位數對本設計的精度有重要影響，ADC位數的選擇可依據公式

　　其中A為輸入信號的動(dòng)態(tài)范圍，M為分辨率要求。

　　ILX511輸出動(dòng)態(tài)范圍為267，根據公式(1)可得本設計所需ADC位數≥8.06，即需選用有效位數ENOB(Effective Numbers Of Bits)10位以上模數轉換器。本設計采用AD9220，其在1 MHz工作頻率下信噪比最小為69 dB，由公式(2)可得其最小有效位數為11.7，滿(mǎn)足系統設計要求。

　　其中SNR為ADC信噪比。

　　AD轉換的輸出數據要通過(guò)RS232送入上位機，由于A(yíng)D產(chǎn)生的數據流速率(12 Mb/s)與RS232通信速率(最高230.4 Kb/s)不配，故AD輸出的數據首先存入數據緩沖器FIFO中。由于ILX511每次轉換產(chǎn)生2048個(gè)數據，因此選用IDT公司的IDT7203芯片通過(guò)字寬擴展方式使用。AD9220

　　和IDT7203連接方式如圖4所示。

　　2.3 電壓轉換部分

　　由于MSP430為3.3 V供電，而CCD和FIFO及運放部分均為5 V供電，為保證邏輯電平匹配，本設計采用TI公司的8位三態(tài)總線(xiàn)電平轉換芯片SN74LVC4245，該芯片傳輸延遲最大不超過(guò)10ns，能夠非常好的滿(mǎn)足本設計的時(shí)序要求。

　　2.4 MSP430部分

　　文中選用MSP430F149單片機作為主控芯片對電路產(chǎn)生驅動(dòng)信號，通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號。因此，定時(shí)器輸出引腳和需要同步操作的時(shí)序信號相連。此外，FIFO輸出結果通過(guò)電壓轉換后并行連接到單片機IO口。

　　3 軟件設計

　　MSP430程序主要由初始化模塊、數據采集與存儲模塊和通訊模塊組成。程序流程圖如圖5所示。

　　3.1 初始化模塊

　　初始化模塊包含以下3個(gè)部分：MSP430初始化部分、FIFO初始化部分和CCD初始化部分。

　　MSP430初始化部分包括時(shí)鐘初始化、串口初始化和IO初始化。時(shí)鐘初始化設定單片機時(shí)鐘來(lái)源及頻率，此頻率將決定單片機PWM和串口通信速率的計算以及PWM輸出時(shí)定時(shí)器的設置。串口初始化只需配置相關(guān)寄存器、設定好波特率和開(kāi)啟中斷即可。IO初始化將沒(méi)有用到的IO進(jìn)行配置。

　　FIFO在上電和每次寫(xiě)操作之前需進(jìn)行復位，FIFO復位后EF標志位為低電平，當MSP430單片機檢測到EF為低電平時(shí)即可開(kāi)始產(chǎn)生后續所需工作時(shí)序。

　　CCD初始化工作分為兩部分：在其正式操作前需添加至少22 500個(gè)CLK脈沖來(lái)穩定輸出;每次工作前由ROG信號和CLK信號完成初始化。

　　3.2 數據采集與存儲模塊

　　數據采集和存儲模塊完成對系統中各器件間時(shí)序的產(chǎn)生和同步操作，將采集到的光譜數據暫存到FIFO中。