崔穎

（吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，吉林 長春 130000）

引言：

CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和輸出信號(hào)的采集與處理。目前驅(qū)動(dòng)主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)、EPROM驅(qū)動(dòng)、專 用IC驅(qū)動(dòng)、復(fù)雜的CPLD驅(qū)動(dòng)等常用的驅(qū)動(dòng)方法，但是它們存在著邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、柔性較差等缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，大多數(shù)都經(jīng)過差動(dòng) 放大、采樣保持、A／D轉(zhuǎn)換，再通過總線或采集卡等接口與PC機(jī)相連。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，而且在信號(hào)處理、通信軟件和界面設(shè)計(jì)等方面要耗費(fèi)大量的精力。應(yīng) 該說這種應(yīng)用系統(tǒng)在靜態(tài)測量處理方面有其優(yōu)點(diǎn)，但如果要滿足實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的連續(xù)檢測要求以及系統(tǒng)體積精小而容易裝配等特點(diǎn)，則必須簡化驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)采集 過程和處理方式。這些方法對(duì)處理CCD信號(hào)的處理器提出了很高的要求。顯然，尋找滿足這些要求的處理器已成當(dāng)務(wù)之急。數(shù)字信號(hào)處理器 DSP（Digital Signal Processor）是一種具有高速性，實(shí)時(shí)性和豐富的芯片內(nèi)部資源的處理器，它的出現(xiàn)為人們解決這個(gè)難題提供了一條新的道路。本文將以TMS320VC5410 DSP為例，結(jié)合模數(shù)轉(zhuǎn)換器MAX153，介紹DSP在線性CCD測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概述：

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

本系統(tǒng)主要由線陣CCD，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，DSP處理器，主機(jī)及時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。系統(tǒng)的工作過程如下：CCD傳感器的光敏元受光的激發(fā)將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并在外部驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下輸出。CCD的輸出的信號(hào)為離散的模擬脈沖序列，在DSP對(duì)它進(jìn)行處理之前，須經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。DSP將模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果存入片內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中以便近一步處理。最后DSP根據(jù)用戶的要求將處理結(jié)果上傳給主機(jī)供用戶使用。

2 基本硬件組成：

2.1 TMS320VC5410 DSP處理器

TMS320VC5410 DSP是TI公司推出的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。該處理器采用圍繞8條總線的改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，CPU經(jīng)過專門的硬件邏輯設(shè)計(jì)，指令的執(zhí)行采用流水線方式，加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng)使得TMS320VC5410 DSP具有高度的并行性，實(shí)時(shí)性。因此，它被廣泛地應(yīng)用在要求實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)中。

圖3 流水線工作方式時(shí)序圖

TMS320VC5410 DSP在片資源豐富，片內(nèi)除有64k字的RAM，16k字的ROM外，還有多到緩沖串行口 McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）, 主 機(jī) 接 口HPI(Host Port Interface),直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ)DMA(Direct Memory Access)及可編程定時(shí)器等外設(shè)。這些在片硬件資源都可由用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行軟件設(shè)置，這使得該芯片在應(yīng)用上具有極大的靈活性。

2.2 線性CCD傳感器

采用TCD102C-1線性CCD為例子。它是一二相雙溝道線陣CCD攝像器件，有效光敏元2048個(gè)，光敏陣列長約28.672mm,光積分時(shí)間 TSH不小于2084s，驅(qū)動(dòng)頻率為1MHZ，內(nèi)有采用保持電路。其驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序圖如圖2所示：

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）

采用MAX153模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的采樣頻率達(dá)1MHZ，采用轉(zhuǎn)換時(shí)間為660ns，轉(zhuǎn)換精度為8位，并行輸出，可工作在多種模式下，在本系統(tǒng)中，采用流水線工作模式。在該模式下的時(shí)序圖如圖3所示。其中RD讀模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸入信號(hào)，WR為模數(shù)轉(zhuǎn)換開始信號(hào)，INT為轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷信號(hào)。

2.4 主機(jī)

一般可采用C51單片機(jī)或EUC。它將和DSP通信，顯示或保存DSP的處理結(jié)果。

2.5 時(shí)鐘及驅(qū)動(dòng)電路

時(shí)鐘電路將產(chǎn)生光積分脈沖信號(hào) SH，驅(qū)動(dòng)電路為CCD傳感器提供驅(qū)動(dòng)脈沖 1，2，復(fù)位脈沖 R，采樣脈沖 sp及模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀寫信號(hào)。

3 系統(tǒng)信號(hào)采集和處理工作原理

整個(gè)系統(tǒng)的工作完全圍繞對(duì)信號(hào)的不同處理展開，故可將系統(tǒng)的整個(gè)處理過程分為四個(gè)步驟：（1）CCD傳感器對(duì)光信號(hào)的采集；（2）模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并傳輸給 DSP；（3）DSP對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果保存和處理；（4）DSP 將結(jié)果返回給主機(jī)，主機(jī)顯示或保存結(jié)果。

運(yùn)用DMA傳送數(shù)據(jù)時(shí)，不但軟件設(shè)計(jì)更為簡單，而且每次對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果的保存不需要采用中斷方式，CPU工作可不被打斷，其處理能力得到充分發(fā)揮。

DSP在對(duì)數(shù)據(jù)處理完畢之后，結(jié)果保存在DSP片內(nèi)。為了使用戶能夠看到它，需把它顯示出來，可能用戶還要將其長期保存。VC5410 DSP的主機(jī)接口HPI（Host Port Interface）主要用于DSP與其他的總線或CPU進(jìn)行通信。它是一個(gè)8位并行口，接口通用，軟件設(shè)置簡單。通過HPI接口DSP可將處理結(jié)果上傳給主機(jī)。更為突出的一點(diǎn)是，主機(jī)可通過HPI接口下載用戶程序至DSP片內(nèi)，這樣以來，用戶可以在不需要更換處理器芯片就可根據(jù)外部測量環(huán)境和要求，采用不同的算法進(jìn)行測量。

4 結(jié)束語

本文圍繞對(duì)數(shù)據(jù)處理的過程介紹了DSP在線陣CCD測量系統(tǒng)中的應(yīng)用。系統(tǒng)工作過程包括光信號(hào)采集，AD轉(zhuǎn)換，DSP處理等幾個(gè)部分。運(yùn)用雙緩沖區(qū)工作原理，系統(tǒng)以流水線方式工作，提高了DSP對(duì)數(shù)據(jù)處理的效率。由于DSP運(yùn)算功能強(qiáng)大，在片資源豐富，具有良好的實(shí)時(shí)性，使得其在對(duì)數(shù)據(jù)處理方面游刃有余。DSP技術(shù)必將在CCD技術(shù)系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

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