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基于單片機的線陣CCD實時檢測系統(tǒng)的開發(fā)
摘要：分析了線陣CCD用于實時檢測系統(tǒng)的特點和要求，介紹了一種基于AT89C2051單片機的線陣CCD實時檢測系統(tǒng)的設計方案。本方案電路結構簡單可靠，信號處理靈活檢當，有一定的通用性和啟發(fā)性。CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應用系統(tǒng)的關鍵技術在于CCD驅動時序的產生和輸出信號的采集與處理。目前驅動主要有直接數字電路驅動、EPROM驅動、專用IC驅動、復雜的CPLD驅動等常用的驅動方法，但是它們存在著邏輯設計較為復雜、調試困難、柔性較差等缺點。在數據采集和處理方面，大多數都經過差動放大、采樣保持、A／D轉換，再通過總線或采集卡等接口與PC機相連。這種系統(tǒng)結構龐大，而且在信號處理、通信軟件和界面設計等方面要耗費大量的精力。應該說這種應用系統(tǒng)在靜態(tài)測量處理方面有其優(yōu)點，但如果要滿足實時控制系統(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，則必須簡化驅動電路、數據采集過程和處理方式。本文正是出于這種考慮，開發(fā)出了一種基于單片機的實時性檢測系統(tǒng)：僅用Atmel公司一塊小型的AT89C2051單片機便能產生穩(wěn)定、精確、高速的驅動脈沖。該電路結構簡單、調試方便、CPU占用率低，將驅動、采集和處理融為一體，而且與上位機的連接僅用兩條導線便可實現檢測信息傳輸。這種方法大大簡化了線陣CCD檢測系統(tǒng)的結構，在機器人視覺、智能小車、軌跡導引等動態(tài)檢測方面有獨特的應用優(yōu)勢。
1 線陣CCD實時檢測系統(tǒng)模型
以機器人路徑識別為例具體說明如何利用線陣CCD開發(fā)實時動態(tài)環(huán)境檢測系統(tǒng)。
假設在一個深色(如黑色、藍、綠等)平面上用寬度為30mm的白線作為機器人將要運動的軌跡導引線，利用線陣CCD開發(fā)出檢測白線軌跡的檢測系統(tǒng)。先利用光學系統(tǒng)用攝像頭將路面信息成像到CCD的感光面上；然后讀取白線的位置檢測信息作為機器人的視覺，讓機器人在上位機的控制下沿白線軌跡運動。這是一個典型的CCD實時檢測系統(tǒng)。整體檢測系統(tǒng)如圖1所示。
2 硬件設計
利用CCD的光電特性，設計出的電路應能判別視頻信號上輸出的深色和白色區(qū)別，這樣才能識別白線，時刻反應機器人當前所在的物理位置，以便對其運動做相應的調整。 線陣CCD選用NEC公司的μPD3575D型號。芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數目為1024，像敏單元大小為14μm×l41μm×l4μm(相鄰像元中心距為14μm)，光敏區(qū)域采用高靈敏度和低暗電流PN結作為光敏單元，內置采用保持電路、輸出放大電路，外觀尺寸為25．5mm×10mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅動(脈沖)、12V電源條件下。
系統(tǒng)簡要電路如圖2所示。驅動用的單片機是AT89C2051。它是Atmel公司生產的自帶2KB可編程Flash存儲器的與MSC-51兼容的高性能處理器。它與常規(guī)的51芯片有相同的核心和相近的結構功能如RAM、定時/記數器、中斷結構、串行口、振蕩器和時鐘電路等；有最高達24MHz的振蕩頻率，能高速地驅動CCD；有較少的精簡I／O端口，因此體積很小，非常適用做小型應用系統(tǒng)的處理器。對很多嵌入式控制應用提供了一個高度靈活的有效解決方案。本線陣CCD檢測系統(tǒng)發(fā)揮了其小而靈活的特點，既陡系統(tǒng)資源得到了充分的應用又讓系統(tǒng)結陶精簡緊奏，電路中二值化部分的電位器R_T用來調整二值化比較電平的閥值(0～5V)，通過它調節(jié)整個CCD的灰度分辨率。同時整個系統(tǒng)對外接口十分簡單，只需接上電源和兩條通向上位機的信號線。上位機只需等待同步信號FC和檢測脈沖信號BIN_OUT到來的中斷信號，與AT89C2051相互獨立，彼此之間沒有任何時鐘信號或復用關系。因此實際運用中器件互換性較強。既可選用普通的AT89C51進行一定的端口擴展接收FC和BIN_OUT，也可選用中斷能力較強的SOC芯片C8051FXX系列等。整個檢測系統(tǒng)具有良好的柔性，最終電路體積可控制在手掌心大小之內。
圖2
3 信號時序及軟件設計
由于硬件設計時考慮用軟件產生CCD驅動信號，這樣軟件設計的最大難點為既要滿足CCD芯片的驅動信號要求又要完成檢測信息的完整表述。綜合比較各種方法后得出了整個軟件設計思路如下：
驅動描述：NEC公司的線陣μPD3575D所需驅動信號與TOSHIBA公司傳統(tǒng)的TCD系列略有差異，具體驅動信號為：時鐘φ10、轉移脈沖φTG、復位時鐘φRO和采樣保持時鐘φSHO，時序關系如圖3所示。
μPD3575D為雙溝道線陣CCD，它有兩列525位的CCD移位寄存器，分列在像敏陣列的兩邊，在一個積分的φTG周期中至少有525個φ10脈沖：另外考慮到一些暗信號和空驅動．本系統(tǒng)開發(fā)中取φ10脈沖寬度約為10μs、φTG積分時間為12ms。
單片機驅動主要是通過程序編程控制輸出驅動的時序信號，可以通過修改程序方便地修改輸出時序，單片機是靠指令產生I／O口的輸出邏輯，在使用邏輯轉移指令時，必須注意精心配置，避免產生驅動時序相位上的不同步。因為轉移指令要根據某些條件產生程序分支，而分支程序在不同的條件下執(zhí)行周期通常不同，會造成CCD驅動時序不同步。
檢測過程描述：參見圖2的系統(tǒng)電路圖，當CCD被驅動后因其光電特性會有視頻模擬信號Vout輸出，信號如圖4所示�？梢钥闯觯耗M信號Vout在CCD掃描到深色區(qū)和白色區(qū)有明顯的幅值大小區(qū)別，要提取的信息就是這個變化的電壓信號，但單片機不能直接處理模擬信號Vout，因此必須先將Vout通過二值化處理得到數字信號BIN(見圖2二值化電路部分)。這樣便得到了反映白線左右兩個邊緣的脈沖信號BIN。為了方便上位機的處理，不直接輸出信號BIN，而是將BIN反饋給AT89C2051，讓其通過程序編制來捕
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