王改芳， 吳有才

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心， 湖北 武漢 430074)

基于52單片機(jī)的CCD驅(qū)動程序和電路設(shè)計(jì)

王改芳， 吳有才

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 信息技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心， 湖北 武漢 430074)

根據(jù)單片機(jī)與光電檢測課程實(shí)驗(yàn)的需要，開展實(shí)用性項(xiàng)目設(shè)計(jì)及啟發(fā)式教學(xué)。繼完成“基于51單片機(jī)的CCD驅(qū)動程序和電路設(shè)計(jì)”后，升級到由52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，且復(fù)位脈沖ΦRS信號改由其他硬件產(chǎn)生。因?yàn)?2單片機(jī)內(nèi)存更大，從而有條件避免程序中的轉(zhuǎn)移指令，減少周期內(nèi)的指令數(shù)量，使得產(chǎn)生的驅(qū)動信號更為準(zhǔn)確，頻率更快，效果更好。

CCD驅(qū)動程序； 52單片機(jī)； 電路設(shè)計(jì)； 實(shí)踐教學(xué)

1 CCD驅(qū)動脈沖

電荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)常作為圖像傳感器的轉(zhuǎn)換器件,其驅(qū)動脈沖包括兩個(gè)階段(圖1中以虛線為界):前一階段是光電轉(zhuǎn)移用的光積分脈沖,后一階段是自掃描用的轉(zhuǎn)移脈沖。CCD的驅(qū)動脈沖由5種邏輯信號組成:Φp是為光敏柵施加的光積分脈沖；ΦSH為轉(zhuǎn)移脈沖；ΦRS為復(fù)位脈沖；Φ1和Φ2為雙相轉(zhuǎn)移脈沖，Φ1和Φ2二者交替變化,在時(shí)間上相差π。因?yàn)棣礟由CCD片內(nèi)提供,實(shí)際上驅(qū)動CCD只需要ΦSH、Φ1、Φ2和ΦRS4個(gè)信號[1-3]。CCD要求一個(gè)ΦSH周期中至少有1 118個(gè)Φ1脈沖,即TSH>1 118TΦ1。ΦRS信號邊沿應(yīng)對準(zhǔn)實(shí)線位置,為簡化編程先按虛線位置處理,然后用硬件延時(shí)校正[4-7]。

筆者曾帶領(lǐng)學(xué)生完成了基于51單片機(jī)的CCD電路和驅(qū)動程序設(shè)計(jì)[4],由于51單片機(jī)的片內(nèi)程序存儲器只有4 KB,故必須使用轉(zhuǎn)移指令,并加入一些空指令(NOP),從而減慢了驅(qū)動信號的頻率[8]。于是考慮再采用片內(nèi)程序存儲器空間更大(達(dá)8 KB)的52單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于RS信號(復(fù)位信號)在光積分和自掃描兩種狀態(tài)下的輸出波形沒有改變,所以考慮用硬件來產(chǎn)生它,這樣就只需要單片機(jī)產(chǎn)生3個(gè)驅(qū)動信號,因而精化了指令,提高了CCD的驅(qū)動信號頻率。

圖1 CCD驅(qū)動脈沖信號時(shí)序圖

2 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)

2.1 光積分脈沖信號的產(chǎn)生

光積分階段(AB段)驅(qū)動信號示意圖見圖2。其中P1.2輸出ΦSH信號,P1.1 輸出Φ1信號,P1.0輸出Φ2信號。給圖2中所示的各點(diǎn)賦值見表1。

圖2 光積分驅(qū)動脈沖信號示意圖

點(diǎn)號二進(jìn)制值十六進(jìn)制值點(diǎn)10010B02H點(diǎn)20110B06H點(diǎn)30010B02H

所以光積分階段(AB段)程序如下(設(shè)一個(gè)機(jī)器周期為1 TM,即1 μs):

MOV P1,#02H 2字節(jié) 2TM MOV P1,#06H 2字節(jié) 2TM MOV P1,#02H 2字節(jié) 2TM

2.2 轉(zhuǎn)移脈沖信號的產(chǎn)生

在自掃描期間產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖信號。此段驅(qū)動信號重復(fù)變化,故取一個(gè)變化周期(設(shè)為CD段),見圖3。據(jù)圖3給各點(diǎn)的賦值見表2。

圖3 轉(zhuǎn)移脈沖信號示意圖

點(diǎn)號二進(jìn)制值十六進(jìn)制值點(diǎn)10001B01H點(diǎn)20010B02H

故自掃描階段(CD段)程序如下:

MOV A,#01H 2字節(jié) 1TM MOV P1,A 2字節(jié) 1TM INC P1 2字節(jié) 1TM

其中,指令MOV A,#01H起到賦初值的作用,只在開始出現(xiàn)一次。其后兩條指令為一個(gè)程序單元,周期性循環(huán)。明顯看到單片機(jī)的輸出信號大為簡化,自掃描階段的Φ1和Φ2信號一個(gè)周期輸出的信號賦值僅為2次(文獻(xiàn)[4]為4次),而且兩信號值正好相鄰,便于程序中的賦值。CCD要求后兩條指令組成的程序單元至少循環(huán)1 118次。因?yàn)镃CD輸出周期至少為2 236個(gè)像元,而CD段可以輸出2個(gè)像元,所以整個(gè)程序里至少需要1 118個(gè)程序單元。因?yàn)棣?(或Φ2)的一個(gè)程序單元內(nèi)用兩條時(shí)間為1TM的指令,所以Φ1(或Φ2)周期為2 μs,頻率為0.5 MHz,正好滿足雙相轉(zhuǎn)移脈沖Φ1和Φ2的標(biāo)準(zhǔn)頻率。

此處的循環(huán)如果用轉(zhuǎn)移指令,因?yàn)橐粋€(gè)轉(zhuǎn)移指令的工作周期為2 TM,則會造成驅(qū)動信號的某些延時(shí),使得驅(qū)動信號不對稱、輸出不穩(wěn)定。但是如果不用轉(zhuǎn)移指令,而是重復(fù)程序單元至少1 118次,則積分過程至少需要1 118×(2+2)=4 472字節(jié)。51單片機(jī)的片內(nèi)程序寄存器為4 KB,即4096字節(jié),裝不下重復(fù)程序單元,不得不采用轉(zhuǎn)移指令,然后又不得不加入一些空指令,因而降低了頻率[4]。反之,52單片機(jī)片內(nèi)程序存儲器為8 KB字節(jié),足夠存儲以上程序。52單片機(jī)的硬件電路和文獻(xiàn)[4]的51單片機(jī)相近,只是僅用了單片機(jī)的P1.2—P1.0 3個(gè)端口,分別輸出ΦSH、Φ1和Φ2這3個(gè)信號,而ΦRS信號由硬件產(chǎn)生。

3 RS信號的產(chǎn)生

3.1 最初的思路——利用單片機(jī)的ALE信號產(chǎn)生RS信號

ALE是地址鎖存使能輸出端,當(dāng)CPU訪問外部存儲器時(shí),ALE的輸出作為外部鎖存地址的低位字節(jié)的控制信號；當(dāng)不訪問外部存儲器時(shí),ALE端仍以1/6時(shí)鐘脈沖頻率固定地輸出正脈沖,因此,它可用作對外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)[1,9]。本項(xiàng)目沒有外接任何存儲器,所以ALE信號輸出是穩(wěn)定的方波信號。單片機(jī)的晶振為12 MHz,則ALE信號的頻率為2 MHz。由于需要的是1 MHz的復(fù)位信號,所以想到用ALE信號二分頻產(chǎn)生RS信號。分頻器示意圖見圖4。

圖4 分頻器示意圖

由于ALE信號不能經(jīng)過分頻,又設(shè)想是否可以用6 MHz晶振驅(qū)動另一片相同單片機(jī)以產(chǎn)生1 MHz的ALE信號,并加以利用。但經(jīng)討論后知兩片不同的單片機(jī)產(chǎn)生的ALE信號之間的相位差為隨機(jī)數(shù),很難使得該信號和其他信號的時(shí)序吻合,故此想法也行不通。

3.2 可行的方法——利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和微分電路產(chǎn)生RS信號

3.2.1 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)延時(shí)

先對Φ1和Φ2作延時(shí)處理,再利用處理結(jié)果產(chǎn)生RS信號。相對于文獻(xiàn)[4],這里采用另一種方法,即使用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。

(1) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理[2]:未加觸發(fā)信號時(shí),電路處于穩(wěn)態(tài)(低電平)；外加觸發(fā)信號時(shí),電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)(高電平)；電容充電,電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回至穩(wěn)態(tài)。

輸出脈沖寬度也就是暫穩(wěn)態(tài)的維持時(shí)間:

tw≈0.7RC

(1)

因此可以根據(jù)需要確定R、C的值,以此得到需要的暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

圖5 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器延時(shí)波形示意圖

通過計(jì)算，選用適當(dāng)?shù)腞、C以獲得理想的信號。對于第一次觸發(fā),因?yàn)棣?周期為2 μs,可以設(shè)定Vi暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間tw為0.7μs,由式(1)得:0.7RC= 0.7 μs,所以可以選用R=2 kΩ、C=500 pF。

對于第二次觸發(fā),則要設(shè)定暫穩(wěn)態(tài)時(shí)間為1 μs,由式(1)得:0.7RC=1 μs,所以可以選用R=2.853 2 kΩ、C=500 pF。

3.2.2 微分電路產(chǎn)生RS信號

觀察圖1可知,RS信號和Φ1及Φ2的跳沿緊密相關(guān)。微分電路就是將階躍信號的跳沿轉(zhuǎn)換為尖脈沖,所以可以對Φ1和Φ2微分后再進(jìn)行處理,得出RS信號[3,10]。RS信號產(chǎn)生電路及波形見圖6。圖中Vo為徑RC微分電路的輸出信號，Voi為徑二極管D限幅后的正脈沖。

圖6 RS信號產(chǎn)生電路及波形

RC微分電路必須滿足電路時(shí)間常數(shù)RC?T/2,T為輸入信號的周期[11]。輸出電壓Vs與輸入電壓Vo的關(guān)系為

(2)

當(dāng)輸入電壓為階躍信號時(shí),考慮到信號源總存在內(nèi)阻,在t=0時(shí),輸出電壓為一個(gè)有限值,隨著電容器C的充電,輸出電壓Vo將逐漸地衰減,最后趨近于零。方波電壓Φ1經(jīng)由微分電路,輸出電壓是一系列的正、負(fù)相間的尖頂脈沖。然后因二極管的單向?qū)щ娮饔?負(fù)載上就只剩下正向的尖頂脈沖,其時(shí)間間隔等于輸入波的周期T[12]。

因?yàn)镽、C必須滿足RC?T/2,T=2 μs,所以RC?1 μs。同時(shí),如果電容越小,容抗越大,其分壓也越大,導(dǎo)致輸出信號(即電阻R上的分壓)過小[13]。所以, “?”并不是一定小很多倍數(shù)量級,只要5～10倍即可。經(jīng)實(shí)驗(yàn)電容選到500 pF,電阻選到300 Ω左右比較合適。

Φ2經(jīng)過同樣的電路后所得波形與最后Φ1輸出波形相或,得到信號ΦRS見圖7。

圖7 信號時(shí)序圖

4 結(jié)語

用示波器測得單片機(jī)P1口輸出的波形與圖7相符,證實(shí)Φ1和Φ2信號頻率為0.5 MHz,等于CCD的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動頻率,CCD工作良好。相比文獻(xiàn)[1],本文設(shè)計(jì)方案程序較長,占用存儲空間較大,需要通過硬件產(chǎn)生RS信號,制作成本有所提高,適用于對反應(yīng)時(shí)間、檢測質(zhì)量要求較高的場合。本設(shè)計(jì)完成的同時(shí),提高了學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

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Design of CCD driver and its circuit based on 52 single chip microcomputer

Wang Gaifang, Wu Youcai

(Experimental Teaching Center for Information Technology, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China)

According to the experimental requirements of Single Chip Microcomputer and Photoelectric Detection course, the practical project design and heuristic teaching are carried out. Following the completion of the design of CCD driver and its circuit based on 51 single chip microcomputer, it upgrades to the 52 single chip microcomputer to realize the project design and the reset pulseΦRSsignal is generated by another hardware. As the 52 single chip microcomputer has a greater memory, it has the conditions to avoid the transfer instructions in the program and reduce the number of instructions in the cycle so that the driving signal is more accurate, the frequency is faster, and the effect is better.

CCD driver; 52 single chip microcomputer; circuit design; practical teaching

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.016

2016-11-28

湖北省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(Q20106401)；全國交通運(yùn)輸職業(yè)教育教學(xué)指導(dǎo)委員會2015年交通運(yùn)輸職業(yè)教育科研項(xiàng)目(2015B44)

王改芳(1975—)，女，山西陽泉，在讀博士研究生，講師，主要研究方向?yàn)檐浖こ獭?shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)教學(xué).

E-mail：bingfeng71@126.com

TN386.5

A

1002-4956(2017)5-0060-04