基于CCD 电荷耦合器的光电传感器无线通信模组研究

张 晔，李亚杰，杜春晖

（河北建筑工程学院 电气工程学院，河北 张家口 075000）

0 引言

目前基于CCD 的光电传感器、摄像头、数码相机等一般采用有线、串行总线等方式实现数据通信，也有采用WiFi 实现无线通信的[1]。对于有基础设施及网络覆盖的生活区、工作区采用有线或无线局域网WiFi 方式实现通信即可，但对于野外工作环境恶劣，没有基础设施也没有网络覆盖的区域，很难使用该类传感器[2⁃3]。比如野生动物视频采集应用场景中，布线需要高昂的成本，并且施工难度大[4]。

为了解决以上应用场景下布线困难、施工难及施工成本高等问题，基于CC2530 芯片设计CCD 光电传感器无线通信模组，多个传感器通过CC2530 所支持的ZStack 无线通信协议栈构建无线自组织网络，视频及图像信号通过组建的无线传感器网络实现监测与控制，并对提出的无线通信方案进行分析与验证。采用无线通信改进有线CCD 光电传感器通信的弊端与不足，具有一定的研究意义与现实意义[5]。

1 提出的CCD 光电传感器无线通信方案

1.1 CCD 光电传感器结构

CCD 光电传感器由三部分组成，分别包括：MOS 光敏元阵列、读出移位寄存器及无线通信模组[6]。其中，光敏元阵列由成千上万的光敏元组成，一个MOS 光敏元的结构如图1 所示。

图1 单个MOS 光敏元结构图

CCD 光电耦合器件输出信号是电荷信号，这些电荷信号需要经过电路输出，由读出移位寄存器实现[7]。

无线通信模组采用TI 的CC2530 SOC 芯片，该芯片内置8051 单片机，集成IEEE 802.15.4 无线收发功能，采用2.4 GHz 频率通信，支持ZStack 无线通信协议栈。

MOS 光敏元阵列实现光电转换，将成像的光信号转变为电荷信号，每个光敏元对应一个像素点，多个光敏元对应多个像素，不同像素构成完整的图像[8]。MOS光敏元阵列输出的是电荷信号，需经过电路转换为电压或电流信号，通过读出移位寄存器实现该功能。无线通信模组将生成的数字信号通过无线加密、调制、解调等实现无线自组织组网，并完成数据传输。

光敏元的结构包括：电极、耗尽层、势阱及二氧化硅层，其工作原理在下一小节重点说明。读出移位寄存器由氧化物、半导体、电极（每组电极由3 个临近的电极构成）和遮光层组成，其工作原理在下一节中详细阐述。

1.2 工作原理及流程

一个MOS 光敏元实现电荷存储时，在图1 所示的金属电极端施加正向电压并形成电场，在电场作用下形成一个耗尽区，电子在该区域势能很低，称作“势阱”。当有光线照射到该光敏元时，由于光电效应产生电子空穴对，受电场影响，空穴被电场力排斥出耗尽区（如图1 所示），而光电子则被之前产生的势阱捕获，光强度越强势阱捕获的光电子数量越多。CCD 器件由成百上千的光敏元组成，每个光敏元形成一个势阱，并捕获一定的光电子，这些被一个势阱捕获的光电子称之为电荷包。在CCD 器件内形成成百上千的电荷包，当照射在光敏元上的是图像，就会在光敏元阵列中产生一幅与光照度相关的光生电荷图像，实现从光信号到电信号的转换。

为了把产生的电荷信号转变为电流或电压信号，需采用读出移位寄存器部件实现将电荷转变为电流或电压信号，并通过电路输出。在其底部覆盖一层遮光层，以防止其他面带来的外来光线的干扰。一个耦合单元由3 个临近的电极组成，3 个电极分别添加三相时钟脉冲波φ1，φ2，φ3。三相脉冲同频率，相位相差120°，在不同时刻通过脉冲控制势阱的深度，从而通过电场控制电荷从寄存器的一端逐步转移到另一端，从而实现电荷转移。电荷转移的原理图如图2 所示。

图2 电荷转移原理图

图2 中，三相脉冲分别为φ1，φ2，φ3，电荷转移工作过程如下：

Step1：在t1时刻，φ1为高电平，φ2与φ3为低电平，φ1对应的电极下存入光电荷；

Step2：在t2时刻，φ1，φ2为高电平，φ3为低电平，φ1，φ2所对应的电极下的势阱互相连通，并在连通后的势阱内存入光电荷；

Step3：在t3时刻，φ1电平下降，φ2保持高电平，φ3保持低电平，由于φ1电平下降并最终变为零，导致φ1所对应电极势阱变浅，光电荷逐渐由φ1栅极下的势阱转移到φ2栅极下的势阱中；

Step4：在t4时刻，φ1保持低电平，φ2电平开始下降，φ3为高电平，光电荷逐渐由φ2栅极下的势阱转移到φ3栅极下的势阱中；

Step5：在t5时刻，φ1为高电平，φ2为低电平，φ3电平开始降低，光电荷逐渐由φ3栅极下的势阱转移到φ1栅极下的势阱中；

Step6：在t6时刻，重复Step1。

无线通信模组采用IEEE 802.15.4⁃2006 标准，载波频率范围是2 394～2 507 MHz，并通过FREQCTRL.FREQ[6：0]寄存器根据式（1）计算编程设定。

通信采用16 通道，步长为5 MHz，编号位于区间[11，26]，通道的射频频率由式（2）得到。

2 实验与仿真

为了验证无线通信模组的有效性，进行了实验验证。实验中采用TCD142D 型CCD 器件，以TI CC2530 SOC 作为主控芯片，采用IAR Embedded Workbench 集成开发工具进行编程，协议栈采用IEEE 802.15.4⁃2006，通过串口调试助手进行接收端数据的呈现。PC 机采用WIN7 32 位操作系统，8 GB 内存及Intel i5 处理器。实验环境及所有设备数量如表1 所示。

表1 实验参数表

2.1 实验设计

为了验证无线通信模组的有效性，设计了该实验。实验由采集端和接收端两个节点构成，发送端和接收端通过自组织构建无线传感器网络。

采集端采用TCD142D 型CCD 器件采集图像信息，通过设计的无线通信模组将图像信息调制发送，接收端负责接收图像信息，并解调信号还原图像，并在PC 机通过串口调试助手将接收到的图片呈现。

设计实验系统结构如图3 所示。

图3 设计的实验系统结构图

2.2 实验结果与分析

CCD 采集端由脉冲采集电路及输出电路组成，其中脉冲产生电路如图4 所示，该电路包括：RC 振荡器、分频器、与门、译码器，分别产生φRS，φ1，φSH，φ2等脉冲驱动TCD142D 型CCD 器件。

图4 脉冲产生电路示意图

TCD142D 驱动脉冲波形如图5 所示。其中，φRS，φ1，φSH，φ2为四路脉冲信号，通过驱动脉冲实现点荷包转移并在电路输出。

图5 TCD142D 驱动脉冲波形图

无线通信模组采用2.4 GHz 的直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）频谱进行无线射频调制。通信中符号映射到16 个伪随机序列，并以2 Mchips/s 速度进行传输，调制过程首先将发送的比特流以最低有效位为先（Last Significant Bit，LSB）实现到符号的转换，采用62.5 ksymbol/s 速率实现符号到芯片的传送，再以2 Mchips/s 通信速率通过O⁃QPSK 调制器实现信号调制到ADC。

调制采用偏移⁃正交相移键控与正弦芯片，每个芯片形成半个正弦波形，并依次在半芯片周期的I 通道与Q 通道输出，零符号芯片序列图如图6 所示。

图6 TC=0.5 时，传送零符号芯片序列时的相位

通过设计实验，采集端获得图像信息，并通过无线通信模组进行信息发送，接收端接收到信息后，在PC 端呈现出来，验证了无线通信模组的有效性。

3 结语

本文提出一种基于TCD142D 与CC2530 SOC 的无线CCD 光电传感器，设计了传感器的无线通信模组。通过多个光敏元将光信号转变为电荷信号，再利用电路产生脉冲实现电荷转移，通过驱动电路实现光信号到电信号的转换。设计了验证实验，实验中发送方负责采集图像并将所感知图像通过无线发送，接收端接收到信号后还原图像，并在PC 机呈现，验证了无线通信模组的有效性。