基于嵌入式技术的线阵CCD图像采集系统

秦　刚，李　韩

(西安工业大学电子信息工程学院，陕西西安　710021)

0　引言

线阵CCD(charge coupled devices)电荷耦合器件是图像传感器的一种，该器件可将光学信号直接转换为模拟的电流信号，转换之后的模拟电流信号经过放大和模数转换，可实现图像的采集、存储、传输、处理和显示。线阵CCD具有体积小、功耗低、灵敏度高、响应速度快、像素集成度高、成本低等特点，其光效率可达到70%(能捕捉到入射光的70%)，优于传统菲林(底片)的2%，因此，线阵CCD 成为测试技术和现代光电子学的应用器件中最富有成果、最活跃的器件之一。为了得到有效的信噪比较高的CCD信号，文中设计出了一套可靠且高效的线阵CCD信号采集系统[1]。

ARM是一种16/32位的低成本、低功耗、高性能的嵌入式RISC(Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机)微处理器。鉴于ARM微控制器的高速度和强大的片内功能，设计选用微控制器的IO接口来直接驱动CCD，内部AD来进行AD采集，USB接口等资源直接将采集到的CCD信号传输到PC端，在PC上的采集软件里显示出来。

1　条形码图像信号采集系统

设计选用具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式处理器 S3C2440作为微控制器，该芯片有片内FLASH、片内AD，能够满足设计的方案需求。线阵CCD选用TCD1200D，该器件工作在12 V电压下，典型工作频率为1 MHz，具有光谱响应范围宽、灵敏度高、工作速度快等特点，有2 160个有效像元，作用是接收照射到CCD硅片上的光，并将之转换为信号电荷。每个光敏元尺寸为14 μm，中心间距亦为14 μm．其正常工作所需的控制脉冲有：RS、SH、Φ1，Φ2，输出信号为：OS．系统架构如图1所示[4]。

图1　CCD信号采集系统的整体构架

由主控制器S3C2440产生驱动脉冲，通过电平转换电路进行电压匹配，然后驱动线阵CCD器件TCD1200D采集所需图像信息，之后将输出的信息通过放大滤波电路进行差模放大和低通滤波，进入主处理器内部的A/D转换模块进行模数转换，之后将图像信息上传到PC机，进行应用软件编写并显示出采集到的CCD信号。

2　线阵CCD驱动电路设计

CCD是靠驱动电路提供的驱动电压和驱动时钟来运行的，所以线阵CCD运行精度的高低就由驱动电路设计的优良直接决定[2]。线阵CCD的驱动由5个部分组成：积分、转移、传输、输出和计数。单片机驱动电路、EPROM驱动电路、数字驱动电路是目前使用较多的驱动线阵CCD的方法。

在设计中采用微处理软件驱动配合辅助电路法来驱动线阵CCD，通过ARM微处理器S3C2440的GPIO口(general purpose input output)输出软件实现的驱动时序给CCD，采用这种方式产生时序可以利用微控制器通过软件编程直接在GPIO口上输出所需的各路驱动脉冲，硬件简单、调试方便、可在线调整驱动频率。但由于是依靠程序来产生时序，如果程序设计不合理，会造成时序不均匀，通常驱动频率不高，所以要求必须采用高速微处理器[3]。

TCD1200D的典型驱动频率为1 MHz，最高可达到20 MHz，在设计中选用其典型驱动频率1 MHz．而ARM微处理器S3C2440通过一个片内PLL可实现最大为400 MHz的CPU操作频率，其GPIO速度能达到5 M以上，所以驱动TCD1200D完全符合要求。

TCD1200D采用双相时钟驱动，依TCD1200D的时序要求，需要4路驱动信号：即SH转移脉冲信号，它的下降沿便是每行输出的起始点。RS复位脉冲信号，为保证下一个单元电荷电压的正确输出，该信号可清除输出端输出一个单元电荷后所剩电荷。Φ1，Φ2双相脉冲信号，可定向转移驱动信号电荷。如果这四路脉冲能够正确驱动，该图像传感器便会产生补偿信号DOS和有效的光电信号OS[7]。图2即为TCD1200D各路驱动信号的时序关系。

图2　TCD1200D驱动脉冲波形图

TCD1200D驱动电路脉冲宽度与延时关系如图3所示，SH与Φ1的脉冲间隔t1、t5最小值为0，典型值为100 ns；SH脉冲上升和下降时间t2、t4最小值为0，典型值为50 ns；SH脉冲宽度t3最小值为200 ns，典型值为1000 ns；Φ1，Φ2脉冲上升和下降时间t6、t7最小值为0，典型值为60 ns；RS脉冲宽度t8最小值为40 ns，典型值为250 ns；Φ1，Φ2与RS脉冲间隔t9最小值为100 ns，典型值为125 ns．

图3　TCD1200D驱动电路脉冲宽度与延时关系

由手册中提供的时序要求可知，Φ1，Φ2互为反相，RS信号可以当作是Φ1信号的微分。因此，设计的辅助电路如图4所示，该电路用来配合软件模拟时序的工作，进而产生CCD需要的各路时序信号，配合软件用于两相时钟Φ1、Φ2、RS、CP的同步，设计主要靠微分电路和基本的反相电路来完成。电路原理为：从输入的CLK信号中得到反相的Φ1、Φ2提供给TCD1200D，再经过微分电路得到RS信号。此外，输入信号CLK和SH需要经过电平转换后，才可直接用于TCD1200D，并且由于S3C2440的AD参考电压是3．3 V，CCD输出的5V CCD信号不能直接被S3C2440的片内AD读取，所以需要在TCD1200D信号输出端加一个电平转换电路，实现5 V到3．3 V的模拟电压变换。

图4　CCD驱动辅助电路框图

3　电平转换电路

S3C2440的GPIO输出为3．3 V的LVTTL电平，而CCD器件需要5 V的驱动电压，因此需要一个电平转换电路来输出适合CCD工作的驱动电平。设计中采用的是LM1117芯片来完成由3．3 V到5 V的电平转换电路。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1．2 V输出，负载电流为800mA时为1．2 V.LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1．25～13．8 V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出(1．8 V、2．5 V、2．85 V、3．3 V和5 V)的型号[8]。此处选用的是输出可调电压的版本。电平转换电路如图5所示。

图5　电平转换电路

4　图形数据采集与软件设计

对线阵CCD图像采集系统的软件设计思路为：系统开始后，禁止和清除所有中断，然后再检查是否成功打开采集卡，若未打开返回第一步，若打开，设置频率和光积分时间，进行数据采集，之后保存数据，再构建位图，进而进行位

图显示，最后退出程序[6]。系统软件工作流程图如图6所示。

图6　系统软件工作流程图

线阵CCD图像采集系统的采集控制软件从功能和结构上主要分为采集和显示两个部分。软件采用VC++语言在VC6．0开发环境下基于MFC框架编程实现，该软件能实现CCD上2160个像元的模拟显示，同时能调整窗口大小和窗口位置来放大或缩小局部特征[5]。如图7所示为采集的条形码信号柱状图。

图7　CCD信号采集软件界面采集的光栅条形码信号图

5　结束语

现场测试表明，系统图像分辨为0．2 mm．该线阵CCD数据采集系统硬件简单实用，开发周期短，采集到的条码信号信噪比高，稳定可靠，具有提高采集精度的潜力，并且可修改性强，在结合实际条件下对设备的硬件进行扩展和对程序做适当调整，就可以实现不同实际环境下的应用。随着CCD器件性能大幅度提高，其在图像采集及处理领域占据了越来越重要的地位，本设计在将来必然会得到更加广泛的应用。

参考文献：

[1]王庆有．CCD应用技术.天津：天津大学出版社，2000．

[2]胡渝，荣健．CCD的发展现状及展望．仪器仪表学报，2005，26(8)：718-720．

[3]蔡文贵、李永远、许振华．CCD技术及应用．北京：电子出版社，1992．

[4]田泽．嵌入式系统开发与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2004．

[5]刘仁普．数据采集系统应用手册.北京：机械工业出版社，1997．

[6]李红梅，陈敏聪，沈激．线阵CCD数据获取方法研究与设计．电子测量技术，2008，31(6)：1-4．

[7]Universal Serial Bus Specification，Rev 1．1，1998．

[8]TOSHIBA Corp．TCD1200D datasheet，1999．