基于MSP430的高速線陣CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)線陣CCD(Charge Coupled Device)及其外圍器件時(shí)序復(fù)雜的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種高速線陣CCD采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用MSP430單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)各器件驅(qū)動(dòng)時(shí)序，并將采集結(jié)果通過串口發(fā)送至上位機(jī)。介紹了系統(tǒng)組成及各器件時(shí)序同步的設(shè)計(jì)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該線陣CCD采集系統(tǒng)能夠很好的滿足設(shè)計(jì)要求，可作為模塊化電路集成到其它測量系統(tǒng)中。

　　CCD是新型光電轉(zhuǎn)換器件，具有體積小、高靈敏度、低噪聲、讀出速度快、動(dòng)態(tài)范圍高和全譜響應(yīng)等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到圖像傳感和非接觸式測量等領(lǐng)域。正確的CCD驅(qū)動(dòng)需要嚴(yán)格的時(shí)序?qū)?yīng)關(guān)系，傳統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)方式存在著調(diào)試?yán)щy、靈活性差等缺點(diǎn)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路工作在高頻時(shí)鐘時(shí)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的干擾現(xiàn)象，各邏輯驅(qū)動(dòng)信號(hào)不能滿足其嚴(yán)格的相位關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，已不能滿足其應(yīng)用的需要。因此，CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接影響CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和輸出信號(hào)的質(zhì)量，核心是CCD及外圍器件時(shí)序產(chǎn)生及同步的設(shè)計(jì)。

　　本文結(jié)合TI公司16位低功耗單片機(jī)MSP430，使用PWM方式產(chǎn)生操作時(shí)序，不需外加CPLD等復(fù)雜邏輯器件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電路和時(shí)序均能夠很好的滿足要求，生成波形良好，能很好的滿足各相位關(guān)系。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)采用索尼公司ILX511還原型線陣CCD，該CCD內(nèi)置時(shí)鐘發(fā)生器與保持電路、具有易于操作等特點(diǎn)。硬件電路主要由線陣CCD與跟隨電路部分、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)部分、電壓轉(zhuǎn)換部分和MSP430部分組成。軟件由初始化部分、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)部分、通訊部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 線陣CCD與跟隨電路部分

　　ILX511線陣CCD有效像素為2 048個(gè)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。CCD通過模擬移位寄存器在VOUT引腳串行輸出信號(hào)到后續(xù)電路。Vour以2.8 V為基準(zhǔn)，輸出表征光照強(qiáng)度的模擬電壓值，該電壓值滿足后端模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入范圍，故不需要放大電路。此外，本設(shè)計(jì)中將SHSW與GND直接相連，ILX511使用內(nèi)部采樣保持模式輸出信號(hào)。

　　由于ILX511輸出阻抗為250歐姆，在ILX511與ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片)之間需增加電壓跟隨器實(shí)現(xiàn)阻抗變換。考慮CCD的工作頻率和單電源特性，選擇運(yùn)放AD8041作為電壓跟隨器芯片。線陣CCD與跟隨器電路圖如圖3所示。

　　2.2 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)部分

　　ADC的位數(shù)對(duì)本設(shè)計(jì)的精度有重要影響，ADC位數(shù)的選擇可依據(jù)公式

　　其中A為輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，M為分辨率要求。

　　ILX511輸出動(dòng)態(tài)范圍為267，根據(jù)公式(1)可得本設(shè)計(jì)所需ADC位數(shù)≥8.06，即需選用有效位數(shù)ENOB(Effective Numbers Of Bits)10位以上模數(shù)轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用AD9220，其在1 MHz工作頻率下信噪比最小為69 dB，由公式(2)可得其最小有效位數(shù)為11.7，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

　　其中SNR為ADC信噪比。

　　AD轉(zhuǎn)換的輸出數(shù)據(jù)要通過RS232送入上位機(jī)，由于AD產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流速率(12 Mb/s)與RS232通信速率(最高230.4 Kb/s)不配，故AD輸出的數(shù)據(jù)首先存入數(shù)據(jù)緩沖器FIFO中。由于ILX511每次轉(zhuǎn)換產(chǎn)生2048個(gè)數(shù)據(jù)，因此選用IDT公司的IDT7203芯片通過字寬擴(kuò)展方式使用。AD9220

　　和IDT7203連接方式如圖4所示。

　　2.3 電壓轉(zhuǎn)換部分

　　由于MSP430為3.3 V供電，而CCD和FIFO及運(yùn)放部分均為5 V供電，為保證邏輯電平匹配，本設(shè)計(jì)采用TI公司的8位三態(tài)總線電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245，該芯片傳輸延遲最大不超過10ns，能夠非常好的滿足本設(shè)計(jì)的時(shí)序要求。

　　2.4 MSP430部分

　　文中選用MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片對(duì)電路產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)。因此，定時(shí)器輸出引腳和需要同步操作的時(shí)序信號(hào)相連。此外，F(xiàn)IFO輸出結(jié)果通過電壓轉(zhuǎn)換后并行連接到單片機(jī)IO口。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　MSP430程序主要由初始化模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊和通訊模塊組成。程序流程圖如圖5所示。

　　3.1 初始化模塊

　　初始化模塊包含以下3個(gè)部分：MSP430初始化部分、FIFO初始化部分和CCD初始化部分。

　　MSP430初始化部分包括時(shí)鐘初始化、串口初始化和IO初始化。時(shí)鐘初始化設(shè)定單片機(jī)時(shí)鐘來源及頻率，此頻率將決定單片機(jī)PWM和串口通信速率的計(jì)算以及PWM輸出時(shí)定時(shí)器的設(shè)置。串口初始化只需配置相關(guān)寄存器、設(shè)定好波特率和開啟中斷即可。IO初始化將沒有用到的IO進(jìn)行配置。

　　FIFO在上電和每次寫操作之前需進(jìn)行復(fù)位，F(xiàn)IFO復(fù)位后EF標(biāo)志位為低電平，當(dāng)MSP430單片機(jī)檢測到EF為低電平時(shí)即可開始產(chǎn)生后續(xù)所需工作時(shí)序。

　　CCD初始化工作分為兩部分：在其正式操作前需添加至少22 500個(gè)CLK脈沖來穩(wěn)定輸出;每次工作前由ROG信號(hào)和CLK信號(hào)完成初始化。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊

　　數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)模塊完成對(duì)系統(tǒng)中各器件間時(shí)序的產(chǎn)生和同步操作，將采集到的光譜數(shù)據(jù)暫存到FIFO中。