基于80C196KB的线阵CCD高速采集系统张占军朱衡君薛寒光.PDF

基于 80C196KB 的线阵 CCD 高速采集系统 张占军, 朱衡君, 薛寒光 （北京交通大学机电学院，北京 100044 ） 摘要：文章介绍了一种基于单片机 80C196KB 的线阵CCD 高速采集系统。系统采用线阵 CCD 专用 A/D 芯片 MAX1101 和直接存储器控制方式解决了高速采集（A/D 变换）与慢速 CPU 之间的矛盾。 关键词：80C196KB; 直接存储器存储; 线阵 CCD; MAX1101 1 引言 电荷耦合器件(CCD)具有自扫描、光电灵敏度高和几何尺寸精确等一系列优点，因此在光电非接 触测量中得到了广泛应用。它能将光强分布的空间信息转换为电信号序列信息，当它对空间光强分 布一次采样后、以电信号形式串行输出[1]。为了保证信号质量，在每个像素上光信号积分时间有严 格限制，一般要求串行传送速率为几千到几兆赫兹。而在工业测量系统中，广泛使用的单片机指令 速度相对较慢。对于80C196KB单片机，若外部时钟为12MHz，内部二分频后为6MHz，多数指令执行周 期都超过了1us[2]，线阵TCD1208AP信号输出典型频率为1MHz。因而会由于采集速度过快，CPU速度跟 不上而出现数据的丢失或混叠，所以必须设计高速数据采集系统。 为解决慢速CPU和高速数据采集的矛盾，我们采用DMA(Direct Memory Access)方式实现对线阵 TCD1208AP输出数据的采集，当采集结束，CPU再从存储器读取数据。我们采用FIFO存储器(First In First 0ut Memory)实现数据的DMA方式存储，它有两个端口(输人口和输出口)，并按先进先出的顺 序来暂时存放数据，无需地址发生器。输人口和输出口的工作彼此是独立的，只要当前存放在FIFO 中的数据少于FIF0的容量，就可以继续向FIF0中写入数据，当FIFO存满数据时，它就会阻止继续写 人数据。同样，只要FIFO内部还存在数据，就可以继续从中读出数据，当FIFO中所有的数据被读完 时，就可以继续写入数据。本文采用的是IDT7204，容量为4096字节。由于向其写入一个数据的时间 （12ns）远小于A/D转换时间，所以采集速度取决于A/D转换的速度。 2 系统硬件设计 系统主要由单片机80C196KB、线阵CCD及驱动电路、A/D变换和DMA传送电路组成，基本原理框图 如图1所示： 2.1线阵TCD1208AP驱动信号的产生 线阵TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生产的线阵CCD，它具有2160个像元，图2是其驱动信号的时 序图 [4] ： 图2 TCD1208AP驱动信号时序图 由时序图可以看出，芯片正常工作需要四路驱动信号，即：转移信号SH，其周期为光信号的积 分时间t （INTEGRATION TIME ）；复位信号RS ，时钟频率标准值为1MHz；两相移位时钟信号Φ 、 INT 1 Φ ，时钟频率为0.5MHz 。TCD1208AP有2160 个像素单元，正常工作时要有52个虚设单元输出 2 （DUMMY OUTPUTS ）信号。因为该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少要有1106 （2212/2=1106 ）个Φ1脉冲，即TSH1106TΦ1 。由时序图可以看出，当SH信号高电平期间，CCD积累 的信号电荷包通过转移栅进入移位寄存器，移位脉冲Φ 、Φ 要求保持一个高和低的电平状态。 1 2 采用IC驱动方法产生驱动信号，系统用同一时钟对这四路驱动信号进行控制，已保证相互之间 的确定时间关系，然后使用分频器对时钟脉冲分频以产生各路驱动信号所需的波形[3] 。 F 1 2MHz时钟 分频电路 F 2 RS