一种高速线阵CCD采集系统的设计

杨少鹏，高美凤

（江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

一种高速线阵CCD采集系统的设计

杨少鹏，高美凤

（江南大学 轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏 无锡 214122）

针对线阵CCD（Charge Coupled Device）及其外围器件时序复杂的特点，设计了一种高速线阵CCD采集系统。该系统采用MSP430单片机产生PWM信号实现各器件驱动时序，并将采集结果通过串口发送至上位机。介绍了系统组成及各器件时序同步的设计方法。实验结果表明，该线阵CCD采集系统能够很好的满足设计要求，可作为模块化电路集成到其它测量系统中。

光谱采集；驱动电路；线阵CCD；时序信号

CCD是新型光电转换器件，具有体积小、高灵敏度、低噪声、读出速度快、动态范围高和全谱响应等特点，已经广泛应用到图像传感和非接触式测量等领域。正确的CCD驱动需要严格的时序对应关系，传统的CCD驱动方式存在着调试困难、灵活性差等缺点，当驱动电路工作在高频时钟时会出现严重的干扰现象，各逻辑驱动信号不能满足其严格的相位关系，导致系统工作不稳定，已不能满足其应用的需要[1-2]。因此，CCD采集系统设计的好坏直接影响CCD驱动时序和输出信号的质量，核心是CCD及外围器件时序产生及同步的设计。

本文结合TI公司16位低功耗单片机MSP430[3]，使用PWM方式产生操作时序，不需外加CPLD等复杂逻辑器件。实验结果表明：该系统设计中电路和时序均能够很好的满足要求，生成波形良好，能很好的满足各相位关系。

1 系统组成

本系统采用索尼公司ILX511还原型线阵CCD，该CCD内置时钟发生器与保持电路、具有易于操作等特点。硬件电路主要由线阵CCD与跟随电路部分、数据处理与存储部分、电压转换部分和MSP430部分组成。软件由初始化部分、数据处理与存储部分、通讯部分构成。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图Fig.1 Overall system block diagram

2 硬件设计

2.1 线阵CCD与跟随电路部分

ILX511线阵CCD有效像素为2 048个，内部结构如图2所示。CCD通过模拟移位寄存器在VOUT引脚串行输出信号到后续电路[4]。VOUT以2.8 V为基准，输出表征光照强度的模拟电压值，该电压值满足后端模数转换器输入范围，故不需要放大电路。此外，本设计中将SHSW与GND直接相连，ILX511使用内部采样保持模式输出信号[5]。

由于ILX511输出阻抗为250欧姆，在ILX511与ADC（模数转换芯片）之间需增加电压跟随器实现阻抗变换。考虑CCD的工作频率和单电源特性，选择运放AD8041作为电压跟随器芯片。线阵CCD与跟随器电路图如图3所示。

图2 ILX511内部结构框图Fig.2 Internal structure diagram of ILX511

图3 CCD与跟随器电路图Fig.3 CCD and voltage follower circuit diagram

2.2 数据处理与存储部分

ADC的位数对本设计的精度有重要影响，ADC位数的选择可依据公式[6]

其中A为输入信号的动态范围，M为分辨率要求。

ILX511输出动态范围为267，根据公式（1）可得本设计所需ADC位数≥8.06，即需选用有效位数ENOB（Effective Numbers Of Bits）10位以上模数转换器。本设计采用AD9220，其在1 MHz工作频率下信噪比最小为69 dB，由公式（2）可得其最小有效位数为11.7，满足系统设计要求。

其中SNR为ADC信噪比[7]。

AD转换的输出数据要通过RS232送入上位机，由于AD产生的数据流速率（12 Mb/s）与RS232通信速率（最高230.4 Kb/s）不配，故AD输出的数据首先存入数据缓冲器FIFO中。由于ILX511每次转换产生2048个数据，因此选用IDT公司的IDT7203芯片通过字宽扩展方式使用[8]。AD9220和IDT7203连接方式如图4所示。

2.3 电压转换部分

由于MSP430为3.3 V供电，而CCD和FIFO及运放部分均为5 V供电，为保证逻辑电平匹配，本设计采用TI公司的8位三态总线电平转换芯片SN74LVC4245，该芯片传输延迟最大不超过10 ns，能够非常好的满足本设计的时序要求。

2.4 MSP430部分

文中选用MSP430F149单片机作为主控芯片对电路产生驱动信号，通过定时器产生PWM信号。因此，定时器输出引脚和需要同步操作的时序信号相连。此外，FIFO输出结果通过电压转换后并行连接到单片机IO口。

3 软件设计

MSP430程序主要由初始化模块、数据采集与存储模块和通讯模块组成。程序流程图如图5所示。

图5 软件流程图和初始化流程图Fig.5 Width expansion mode

3.1 初始化模块

初始化模块包含以下3个部分：MSP430初始化部分、FIFO初始化部分和CCD初始化部分。

MSP430初始化部分包括时钟初始化、串口初始化和IO初始化。时钟初始化设定单片机时钟来源及频率，此频率将决定单片机PWM和串口通信速率的计算[9]以及PWM输出时定时器的设置。串口初始化只需配置相关寄存器、设定好波特率和开启中断即可。IO初始化将没有用到的IO进行配置。

FIFO在上电和每次写操作之前需进行复位，FIFO复位后EF标志位为低电平，当MSP430单片机检测到EF为低电平时即可开始产生后续所需工作时序。

CCD初始化工作分为两部分：在其正式操作前需添加至少22 500个CLK脉冲来稳定输出；每次工作前由ROG信号和CLK信号完成初始化。

3.2 数据采集与存储模块

数据采集和存储模块完成对系统中各器件间时序的产生和同步操作，将采集到的光谱数据暂存到FIFO中。

由图6可知，ILX511在完成初始化工作后，在每一个CLK时钟下降沿时输出信号。ILX511一个采样周期由2087个CLK周期组成，在前33个周期和最后6个周期输出无用信号（Dummy Signal），中间的2048个信号输出有用信号。因此，AD9220需要在CLK开始后第34个周期启动转换。AD9220某次转换的结果在其输入后3周期输出，故FIFO需在AD9220第一次转换结果输出时启动写信号，即在CCD第37个CLK时启动。又由于CCD在CLK低电平时输出信号，AD9220在CLK高电平时采样和输出，FIFO写信号低电平时有效，故AD9220的时钟和CLK反相，FIFO写信号和CLK同相。

图6 ILX511使用内部采样保持电路时序图Fig.6 SN74LVC4245 voltage translator

结合MSP430定时器灵活的PWM输出模式，CCD的 CLK信号、AD9220的时钟和FIFO的写信号通过定时器B的引脚输出PWM信号实现，各个时钟周期之间的延时通过精准的延时函数实现。程序如下。

通过逻辑分析仪实测MSP430各引脚输出，结果如图7所示，各驱动信号时序正确，相位匹配良好，完全满足CCD及外围电路驱动时序要求。

3.3 通讯模块

通讯模块主要通过MSP430的中断完成发送数据到上位机的功能。通讯模块程序流程图如图8所示。

图8 通讯模块程序流程图Fig.8 CCD initialization diagram

在ADC将CCD输出的数据全部转换完成并将FIFO存满后，IDT7203的FF标志位变低触发MSP430的外部中断服务程序。若需重新发送某次结果，需在进行下一次采集之前，由上位机发送”A”至下位机；若要继续采集，则由上位机发送”C”至下位机。MSP430产生串口接收中断后，判断是否进行重新发送、继续采集。

4 结束语

文中在分析线阵CCD[10]器件驱动时序和外围电路特点的基础上，以MSP430作为主控芯片输出PWM的方式，创造性地提出了一种线阵CCD驱动电路和时序的设计方法。实验验证了所设计的系统能够很好地满足时序要求和实现整体功能。由于采用模块化设计，本系统可以和引脚兼容的同类CCD共用，同时可以结合MSP430低功耗特点作为模块组合应用在不同背景和需求中。

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A design of a high-speed linear CCD data acquisition system

YANG Shao-peng，GAO Mei-feng
（Key Laboratory of Advanced Process Control for Light Industry Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

Owing to the linear CCD（Charge Coupled Device）and its peripheral devices' complex time sequence，a new linear CCD data acquisition system is designed.This system is based on MSP430 which generates PWM to produce each one's driving time sequence and then sends spectrum acquisition data to PC.System components and the method of each device's timing synchronization are introduced.Experimental results have shown that，the CCD driving circuit can well meet design requirements，and can be employed into different application backgrounds.

spectrum acquisition；drive circuit；linear CCD；time sequence signal

TN386.5

A

1674-6236（2014）11-0126-04

2014-02-26 稿件编号：201402183

江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY2012066）

杨少鹏（1989—），男，山东青岛人，硕士研究生。研究方向：嵌入式技术应用和开发。