本科毕业设计论文单片机一维线阵ccd采集Word文件下载.docx
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ThispaperstudiesthelineararrayCCD(ChargeCoupledDevice)drivethedevelopmentofcontroltechnology,thesoftware,hardwareschematicsfunctionanditsimplementationwarediscussed.ThistopicusingtheToshibaseriesTCD1206SUPdesignedCCDdrivecircuit.
Inthisdesign,thecorepartofthedrivecircuitisthetimingpulsegeneratingcircuitusingMicrochip’sPIC16F877Atocompletethispartofthecircuitdesigntoachievethereliabilityofthedrivesystem,theflexibilitycharacteristics.
ThissystemusesaPICmicrocontrollerprogrammingbasedonthetypeandcharacteristicsoftheselecteddevice,resultinginacomplexity-driventimingoftheCCDrequired.Thedesigniscomplete,compiletheprogram,timingsimulation,debugging,downloading,andfinallyaftertheactualcircuittogeneratethedrivewaveformofthewaveformbyadigitaloscilloscopetest,observetheoutputwaveform.
Keywords:
lineararrayCCD;
thePICmicrocontroller;
driventiming
绪论
1.1本课题研究的意义
CCD(ChargeCoupledDevice),即电荷耦合器件,是70年代初发展起来的以电荷包的形式存储和传递信息的新型半导体器件。
它是由美国贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于20世纪70年代首先提出的,是在大规模硅集成电路工艺的基础上研制而成的模拟集成电路芯片。
由于CCD具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、高分辨率、高灵敏度、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、与计算机接口容易等诸多优点。
致使CCD在精密测量、非接触无损检测、扫描图像与航空遥感等领域中,发挥着重要的作用[1]
随着半导体微电子技术的迅猛发展,CCD技术研究取得了惊人的进展。
近年来的应用已深入到各个领域,可以说是跨行业、跨专业、多方面应用的一种光电产品。
线阵CCD主要应用在在线测量方面,由于国外在技术的基础研究上起步较早,相应的应用领域内的研究也取得了很大的成就。
尤其是美国和日本等工业发达国家,无论是从研究水平、应用范围还是测量精度上仍领先于我国的发展水平。
随着我国经济的大力发展,在工业和民用两个方面对CCD技术应用的需求呈现出迅猛上升的趋势。
基于CCD的技术研究和应用也有了很大的发展,应用领域也不断趋于广泛。
例如,在钢铁行业中,为了保障钢材的产品质量往往要对钢管内外径或钢材宽度进行实时在线检测,利用线阵CCD和单片机组成的光学测量系统测量钢管内外径,系统分辨率采用线阵CCD扫描,实现图像实时处理、缺陷分类,达到对钢板表面缺陷的计算机视觉无损在线检测;
在机械高速加工系统的工程技术应用中,利用线阵CCD技术设计了一种新型光学瞬时转速测量系统;
在浮法玻璃生产中,利用半导体激光和线阵CCD组成了能在高温条件下工作的玻璃厚度在线测量系统。
在民用方面,为了能更有效地剔除烟叶中的杂物,利用CCD技术分别从上下两个方向获取图像,然后对图像进行处理,尽量避免烟叶的遮挡给杂物剔除带来的影响。
在军事应用方面,弹药除锈后的质量关系到弹药储运和使用安全,利用线阵CCD拼接技术设计了对除锈后弹药进行非接触质量检测的方法[2]。
总的来说,我们国内在CCD技术的基础应用研究方面还有待深入,应用范围和应用水平也与国外有所差距。
当然,也要通过不断吸取和借鉴国外应用的成熟经验来提高我们国内的应用水平,对线阵CCD技术的基础研究应该依据技术发展的特点和发展的趋势予以重视和加强。
在用CCD构成测量系统之前,需要驱动CCD正常工作并对其输出信号进行A/D转换处理,其中存在的几个问题和要求:
a.不同型号的CCD的驱动时序脉冲都有所不同,频率也有所不同,但一般都在零点几兆赫兹左右。
b.在某些CCD采集光强度足够的场合中,若要求测量的速度达到几百Hz或1KHz以上时,CCD的光积分时间或帧周期要求为几个ms或低于1ms。
要在如此短的时间内完成几千个数据的采集及计算,需要高速的数据采集及处理。
1.2本课题研究内容及主要工作
本课题基于东芝的一款线阵CCD产品,对线阵CCD驱动控制技术的开发研究,设计了一个完整的CCD驱动电路来驱动CCD进行数据采集。
本文主要进行以下几个方面的工作。
1)在深入了解,尤其是线阵CCD的结构和工作原理、特性的基础上,选择合适的系统设计方案。
2)了解东芝线阵CCD产品的相关时序驱动信号的定义和驱动信号之间的时序关系。
3)根据CCD产品的驱动时序,利用C语言或汇编语言,完成在PIC单片机上的线阵CCD器件复杂驱动程序设计。
4)根据CCD产品的特征参数,利用protel进行线阵CCD器件复杂驱动电路设计,利用proteus进行时序电路的仿真和验证。
5)将得到的仿真波形,对比CCD产品手册,验证设计的合理性。
CCD基本原理、特性、驱动及应用
2.1CCD基本原理[3,4]
CCD的工作原理主要可以分为信号电荷的产生、存储、转移和输出。
一个完整的CCD器件由光敏二极管、转移栅、转移寄存器及一些辅助输入、输出电路组成,如图2.1所示:
SH
Φ2
Φ1
图2.1CCD电路组成
CCD工作时,在设定的积分时间内由光敏二极管对光信号进行取样,将光的强弱转换为各光敏二极管的电荷多少。
取样结束后各光敏二极管中的电荷从转移栅转移到移位寄存器的相应单元中,移位寄存器在驱动时钟的作用下,将信号电荷按次序转移到输出端。
将输出信号接到图像显示器或者其他信号存储、处理设备中,就可对信号再现或者进行存储处理。
由于CCD光敏二极管可做得很小(约10μm),所以它的图像分辨率可以做得很高。
2.1.1电荷的产生
当光入射到CCD的光敏面时,就会产生光电荷。
CCD在某一时刻所获得的光电荷与前期所产生的光电荷进行累加,称为电荷积分。
入射光越强,通过电荷积分所得到的光电荷量就越大。
光电荷产生的方法主要分为光注入和电注入两种。
通常的CCD图像采集板一般采用光注入方式。
当光照射到CCD硅片上时,在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对,其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。
光注入方式又分为正面照射式和背面照射式。
它具有较高的入射光量子效率和成像灵敏度,可以实现微光成像。
2.1.2电荷的存储
构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)结构。
如图2.2(a)所示,在栅极G电压为零时,P型半导体的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。
当施加下偏压UG(此时UG小于P型半导体的阀值电压UTH),如图2.2(b)所示,空穴被排斥,产生耗尽区。
电压继续增加,则耗尽区将进一步向半导体内延伸。
称半导体与绝缘体界面上的电势为表面势,用Φs表示,当UG>
UTH时,ΦS变得很高,以致于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层薄的电荷包,但电荷浓度很高的反型层,如图2.2(c)所示。
反型层电荷的存在表明了MOS机构存储电荷的功能。
图2.2单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响
表面势ΦS与反型层的电荷浓度QINV、栅极电压UG有关。
ΦS与QINV有着良好的反比例线性关系。
由于CCD的像素的光电转换可以比喻为往井内注水,所以用半导体物理中的“势阱”的概念来描述上述线性关系。
如图2.3所示
图2.3势阱
电子之所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到氧化物与半导体的交界面处,是因为那里的势能最低。
在没有反型层时,势阱的深度和UG成正比例关系。
如图2.3(a)所示空势阱的情况。
当反型层电荷填充势阱时,表面势收缩,如图2.3(b)所示。
反型层电荷浓度继续增加,势阱被填充更多,此时表面不再束缚多余的电子,电子将产生“溢出”现象,如图2.3(c)所示。
2.1.3电荷的转移
通过按一定的时序在电极上施加高低电平,可以实现光电荷在相邻势阱间的转移,如图2.4所示。
图2.4CCD势阱中电荷转移
图2.4中CCD的四个电极彼此靠的很近。
假定一开始在偏压为10V的Φ1电极下面的深势阱中,其它电极加有大于阀值的较低电压(例如2V),如图2.4(a)所示。
一定时刻后,Φ2电极电压由2V变为10V,其余电极保持不变,如图2.4(b)所示。
因为Φ1和Φ2电极靠得很近,它们各自对应的势阱将合并在一起,原来在Φ1下的电荷变为Φ1和Φ2两个电极共有,如图2.4(c)所示。
之后,Φ1电极上的电压由10V变为2V,Φ2电极上的电压保持10V不变,如图2.4(d)所示。
最终,电荷将转移到Φ2电极下的势阱中。
由此实现深势阱及电荷包转移。
2.1.4电荷的输出
电荷的输出是指在电荷转移通道的末端,将电荷信号转换为电压或电流信号输出,也称为电荷的检测。
目前CCD的主要输出方式有电流输出方式,浮置扩散放大输出和浮置栅极放大器输出。
简而言之,就是一个CCD芯片是由几百甚至上万个光敏微元组成,这些微元组合成线阵或面阵CCD,当被测目标的光信号通过光学系统在CCD光敏元生成像时,CCD器件就将光敏元上的光信号转换成与光强成正比例的电荷量。
用一定频率的时钟脉冲对CCD进行驱动,在CCD的输出端就可以获得被测目标的视频信号。
视频信号中的每一个离散信号的大小对应着一个光敏元所接收光强的强弱,而信号输出的时序则对应着CCD光敏元位置的顺序。
这样,CCD用自身扫描方式完成了将信息从空间域到时间域的转换。
2.2CCD主要特性[5,6,7]
CCD的基本特性主要包括:
感光度、动态范围、分辨率、灵敏度和光谱响应等。
下面分别对这几个参数做简单的介绍:
1.感光度:
感光度是表示在多暗的状态下,能够进行摄像的基准。
决定CCD图像传感器感光度的要素有很多,不过从整体来看,如何将进入图像传感器的光有效地转换信号才是最重要的。
因此,影响感光度的主要要素主要有:
光电二极管的量子效率、微镜头、FD的转换效率。
2.动态范围:
动态范围的定义为最大的信息量,也就是饱和信号量与噪声之比。
定义基准的噪声,多指图像传感器产生的随机噪声,有时甚至忽视固定图形噪声。
因为从原理上说,固定图形噪声是可以去除的。
随机噪声是当图像在画面播出时与画面位置无关的噪声,CCD图像传感器本身发生的典型随机噪声,有以下几种:
暗电流散粒噪声,FD复位噪声,FD放大噪声和光散粒噪声。
3.分辨率:
分辨率就是表示图像传感器可照出多细微图像的指标,一般像素越多,分辨率越高。
因此也常用像素来取代分辨率。
CCD图像传感器采用自扫描方式,每个光敏元都被隔开一定的距离。
因此,CCD的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像的抽样。
光敏单元呈周期性排列,假设要采集的光学图像是沿水平方向,光强为正弦分布的条状图像,经CCD光敏单元进行光电转换,所得的信号在时间轴方向也是正弦波信号。
由奈奎斯采样定理,CCD的极限分辨率是空间抽样频率的一半,因此,CCD原分辨率主要取决于CCD的像素数,其次,还受到传输效率的影响。
高度集成的光敏单元可以获得高分辨率,但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。
4.灵敏度:
灵敏度是CCD重要的参数之一。
它有两种意义,一是表示光电器件的光电转换能力。
对于给定芯片尺寸的CCD来说,其灵敏度可用光功率所产生的信号电流来表示,单位为纳安/勒克斯、伏/瓦、伏/勒克斯、伏/流明。
勒克斯(lx)是光度学中辐射能流密度的单位,其转换式为:
1W/(m2)=20lx。
另一种是指器件所能传感的最低辐射功率(或照度),与控测率的意义相同。
单位用瓦(W)或勒克斯(lx)表示。
5.光谱响应:
该参数表征CCD对于不同的波长光线的响应能力。
CCD接收光入射的方式分为正面光照和背面光照两种。
由于CCD的正面布置有很多转移电极,电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射式的低。
即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收,以及硅-二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光的干涉现象,出现明暗条纹。
这几个CCD特性之中以感光度、动态范围、分辨率三个最为重要,在实际设计选择的时候必须考虑这几个参数是否符合我们系统的要求。
2.3CCD驱动电路分析
CCD传感器的基本功能是完成电荷的生成,存储,转移和输出。
实现这些功能需要外围电路的驱动。
对于一般的CCD传感器来说,驱动电路主要分为以下几个部分:
时序脉冲产生电路;
垂直驱动电路;
水平驱动电路;
信号预处理电路。
其中信号预处理电路也叫模拟前后端电路(FrontEnd),它起连接前端CCD电路和后端图像处理电路的桥梁作用,主要功能是对CCD输出的视频模拟信号进行消噪、放大和模数转换等信号处理。
时序脉冲产生电路是整个驱动电路设计的关键所在。
它不仅负责产生CCD正常所需的驱动时序,而且信号预处理电路也需要由它来提供一些控制信号,比如采样/保持等脉冲信号,同时后续的图像处理、压缩、存储等工作必须与前端CCD光信号采集和转移输出的过程同步进行,这样就需要时序产生电路来产生同步控制逻辑时序来进行协调工作。
具体来说,CCD驱动电路有一定的周期性,但时序关系复杂。
产生精确的驱动时序是CCD正常工作的保障,所以,设计出可靠的CCD驱动时序,就是CCD应用的关键问题。
目前,对于CCD驱动电路有很多的设计方法,主要的设计方法有数字电路驱动法、单片机驱动法、EEPROM驱动法、可编程逻辑芯片驱动法和专用CCD处理芯片驱动法。
下面就以上的几种驱动产生方法的优缺点做相关分析:
1.直接数字电路驱动方法
这种方法是用数字门电路及时序电路直接搭成CCD驱动时序所需的电路,通过硬件电路来实现对CCD的驱动。
这种电路一般由震荡器、单稳、计数器等构成,在具体实现方法上可以使用标准逻辑电路搭成或者一到几片CPLD编程实现。
这种方法的特点是可以获得高速的驱动频率,缺点是逻辑设计比较复杂,调试较为困难。
2.单片机驱动方法
单片机产生CCD驱动时序的方法主要是依靠程序编程直接输出驱动时序信号。
由于时序是由程序指令间的延时产生,因此这种方法在驱动过程中要占用全部CPU时间,而且为了时序的严密性一般在驱动过程中都禁止中断响应。
这种驱动时序产生方法的特点时调节时序灵活方便、编程简单,但通常具有驱动频率较低的缺点。
3.EPROM驱动方法
这种驱动电路一般由晶体振荡器、计数电路和EPROM存储器构成。
在EPROM中事先存放驱动CCD的所有时序信号数据,并由计数电路产生EPROM的地址使之输出相应的驱动时序。
这种驱动时序产生方法结构简单明确,调试简便,缺点是结构尺寸仍嫌太大。
4.可编程逻辑器件驱动方法
这种方法是目前国内比较常用的一种方法,可编程逻辑器件可以采用FPGA或者CPLD,这种方法的器件集成度高,电路板面积小,频率也可以很高。
在应用这种方法设计CCD的时序电路时,主要有两种输入方法,原理图设计输入法和硬件描述语言输入法。
原理图设计法仍然是自下向的传统设计方法。
利用已有的逻辑元器件来构造硬件电路。
原理图输入法要求设计人员按照设计数字电路的过程,一步一步地进行逻辑的设计,尤其CCD芯片需要复杂的二相或四相交迭驱动脉冲时,一般整个驱动电路的原理图设计将变得非常复杂,那么就要要求设计人员对数字电路相当熟悉。
与原理图输入法相比,硬件描述语言则与电路的结构相关不大,数字系统的设计直接面向用户需求,根据系统的行为和功能要求,自上向下地逐层完成相应的描述、综合、优化、仿真与验证,直到生成最终的硬件电路,可以省去大量时序电路的设计。
5.专用IC驱动方法
这种方法就是利用CCD驱动专用IC来产生时序。
由于这种电路是专门为驱动CCD而设计,所以集成度高、功能强、使用方便。
在驱动摄像机等视频领域应用的CCD、或是对三元彩色CCD进行驱动时,使用这种方法是当然的首选。
大多数CCD生产厂家也都生产相应的专用驱动IC,在这种通常的应用中利用这些专用驱动IC构成标准的CCD驱动电路都会获得满意的结果。
然而对于一些特定的应用场合,如用工业测量时这种方法又显得过于保守、灵活性不好。
由以上分析讨论,我们可以看出利用单片微处理器产生CCD驱动时序的方法,在结构上最为简单、仅用一片IC即可,又具有灵活、智能化的特点。
因此,只要能克服其驱动频率低、资源浪费较多的缺点,那么在特殊的应用领域将是一种较好的方法。
Proteus介绍:
Proteus不仅可将许多单片机实例功能形象化,也可将许多单片机实例运行过程形象化。
前者可在相当程度上得到实物演示实验的效果,后者则是实物演示实验难以达到的效果。
它不仅能仿真单片机的CPU的工作情况,也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其他电路的工作情况。
因此在仿真和调试时,关心的不再是某些语句执行是单片机的寄存器与储存内容的改变,而是从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
对于仿真实验,从一定程度上是弥补了实验与工程应用间脱节的矛盾和现象。
利用C语言来实现编程,比汇编程序更加容易让人理解,编程过程也更简单方便。
Protel99SE软件是十分实用简便的PCB板制图软件,采用设计库管理模式,可以进行联网设计,具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能,是一个32位的设计软件,可以完成电路原理图设计,印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作,可以设计32个信号层,16个电源--地层和16个机加工层。
2.4CCD技术的应用
CCD技术是一门集光学、电子学、精密仪器及微计算机于一体的综合性技术。
由于它所具有的各项优良特性,使得CCD技术得到了广泛的应用。
CCD首先在成像领域得到应用,例如监测、遥控、家用摄像机、空间探测、卫星传感、天文观测等。
其中在天文学研究中应用较多,大型地面望远镜大多采用CCD作为成像器件,其次在卫星监测方面的应用也比较成功,例如用监视卫星上的CCD监测器能够识别地球上直径为1.5m的目标。
CCD技术的应用目前主要有以下几个方面:
(1)天文学
由于CCD具有灵敏度高、量子效应高、几何失真小、噪音低及实时采集处理的能力,所以将CCD应用在天文观测上,使得天文观测效率显著提高、天文数据的质量大为改善。
(2)家用摄像机
在消费电子技术中,CCD器件已使用多年,特别在摄录一体机方面,CCD器件可作为黑白检测器,及全彩色单芯片图像器。
(3)医学及X光检测器
在医疗设备的分析成像设备中,CCD由于在紫外、可见、近红外区有较高的响应,已经广泛应用在医疗分析成像系统中。
同胶片相比,它具有实时的优点。
(4)非接触尺寸、位置测量
由于CCD具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、高分辨率、高灵敏度、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、与计算机接口容易等诸多优点,致使CCD光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、光学式、电磁式测量仪优越得多。
特别值得注意的是CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触测量方法,它使得将加工、检测和控制过程融为一体成为可能。
在CCD传感器的输出信号中不仅可以获得光强信息,还可以获得空间信息。
其中,输出信号的大小对应光强的大小,输出信号的顺序对应空间像元的位置。
第一章系统硬件
3.1PIC16F877A单片机[8,9]
PIC系列单片机是美国Microchip公司生产的单片机,硬件资源丰富、设计简捷、指令系统设计精炼,是目前主流单片机中比较容易学习掌握的一种。
PIC单片机采用了RISC结构,其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。
在众多的PIC单片机中,PIC16F877A是PIC系列中很有特色的一款单片机,除了具有PIC系列单片机大部分优点之外,片内还带有EEPROM、A/D转换器等,其主要特点如下:
●具有高性能RISCCPU;
●仅有35条单字指令;
●除程序分支指令为两个周期外,其余均为单周期指令;
●运行速度:
DC4MHz时钟输入,DC1μs指令周期;
●8K×
14字Flash程序存储器,368×
8字节数据存储器(RAM),256×
8字节EEPROM数据存储器;
●引脚输出与PIC16C73B/74B/76/77兼容;
●中断能力(达到14个中断源);
●8级深度的硬件堆栈;
●直接、间接和相对寻址方式;
●上电复位(CPOR);
●上电定时器(PWRT)和振荡启动定时器(OST);
●监视定时器(WDT),它有片内可靠运行的RC振荡器;
●可编程的代码保护;
●低功耗睡眠方式;
●可选择的振荡器;
●低功耗、高速CMOSFlash/EEPROM工艺;
●全静态设计;
●在线串行编程(ICSP);
●单独5V的内部电路串行编程(ICSP)能力;
●处理机读/写访问程序存储器;
●运行电压范围2.0~5.5V;
●高吸入/拉出电流25mA;
●商用、工业用温度范围;
●低功耗:
在5V、4MHz时典型值小于2mA;
在3V、32kHz时典型值小于20μA;
典型的稳态电流值小于1μA。
PIC16F877A单片机主要有3种封装形式,本课题使用最普遍的DIP40封装形式多数引脚都具备第二功能,甚至第三功能,有5个I/O端口:
PORTA、PORTB、PORTC、PORTD和PORTE,共33个引脚。
PIC16F877A引脚分布如图3.1所示。
图3.1DIP40封装形式的16F877A
●端口A是一个6位的双向输入/输出端口,对应的数据方向寄存器是TRISA。
当作为一般数据输入/输出端时,TRISA寄存器用来设定该引脚的输入或输出,且每个引脚都可以单独作为输
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