摘 要： 通過STC89C52單片機平臺，以4路驅動信號的TCD1208AP和6路驅動信號的TCD1501D為例，采用分割法對驅動信號進行了分析與編碼。根據線陣CCD驅動信號數量的不同，分別采用單周期和雙周期指令完成了驅動時序的編程實現和實驗驗證。該方法應用高執行效率的51匯編指令，驅動信號頻率高、穩定性好，充分發揮了單片機和線陣CCD的綜合性能。
關鍵詞： 線陣CCD；單片機驅動；分割法；STC89C52；TCD1208AP；TCD1501D
近年來，隨著半導體技術和大規模集成電路的發展，CCD圖像傳感器在功耗、分辨率和動態范圍等方面取得了巨大的進步。目前，CCD圖像傳感器非接觸式測量技術已廣泛應用于尺寸測量、圖像傳感、機器視覺、文字掃描等領域[1]。
線陣CCD驅動信號是一組關系復雜的周期性脈沖信號，它是決定信號積分時間、信噪比的關鍵因素。目前，線陣CCD的驅動電路主要包括專用集成電路驅動、EPROM驅動、可編程邏輯器件驅動、單片機驅動等[2]。基于單片機的線陣CCD驅動擴展性強、功耗小、應用成本低，應用前景廣闊。單片機驅動設計中，難免要使用轉移指令，但是由于單片機的轉移指令、位操作和端口賦值指令的指令周期不同及驅動信號的復雜性，如果驅動時序設計不當，將難以滿足CCD驅動時序的高頻率和穩定性要求。因此，關于單片機線陣CCD驅動時序分析和設計方法的研究具有深刻的意義。
1 線陣CCD驅動設計
51系列單片機具有低功耗、擴展靈活、控制穩定等特點，是目前應用最廣泛的單片機。因此，本文將利用STC89C52單片機進行線陣CCD驅動設計的研究。
CCD圖像傳感器采用光電效應，以感應電荷為信號，在特定驅動脈沖作用下，實現信號電荷的存儲和定向轉移[3]。線陣CCD驅動設計中，所采用指令的指令周期決定了線陣CCD的驅動頻率的大小。具體采用單周期指令還是多周期指令取決于線陣CCD驅動信號的路數和驅動信號間的關系。
1.1 線陣CCD的驅動信號
線陣CCD在驅動時序作用下完成了信號電荷的存儲、轉移和輸出。線陣CCD的驅動信號包括轉移脈沖(SH)、時鐘脈沖(Q1，Q2)、復位脈沖(RS)，部分線陣CCD還包括采樣保持脈沖(SP)和門限脈沖(CP)。本文以東芝4驅動TCD1208AP和6驅動TCD1501D線陣 CCD為例，研究基于51單片機的線陣CCD的驅動設計。
TCD1208AP采用幀輸出方式，每幀信號對應1 106個時鐘脈沖。利用51單片機計數器對時鐘脈沖Q2的下降沿計數，當計數達到1 106時，利用中斷方式產生轉移脈沖SH。單片機與TCD1208AP間的接口關系如圖1所示。圖4是TCD1208AP 4路驅動信號的狀態轉換圖。
由圖4可知，除去SH中斷狀態外，TCD1208AP驅動信號共有8種狀態。Q1和Q2相位相反，周期是RS的2倍，SH由計數中斷產生。程序設計中，采用位操作指令和自加自減指令實現信號間轉換；驅動信號的周期切換采用JBC跳轉指令通過RS信號的檢測實現循環。JBC指令尋址位為1轉移，選擇RS為檢測位，需對狀態轉移圖中的信號編碼進行取反操作。這樣實現了驅動信號的轉換均在單周期指令操作，與雙周期指令相比，驅動頻率提高了一倍。核心程序如下：
MOV P1,#0xFA ；驅動信號的初始狀態
LOOP： ；驅動信號8狀態間的循環程序段
SETB P1^2
DEC P1
NOP
CLR P1^2
SETB P1^2
INC P1
JBC P1^2,LOOP
CT0： ；轉移脈沖SH中斷處理程序
CLR P1^3
MOV TH0,#0xFB ；TH0=（65536-2538）/256
MOV TL0,#0xAE ；TL0=（65536-2538）%256
SETB P1^3
RETI
TCD1501D驅動信號設計中，采用分割法，在保持RS占空比為1:4的條件下，8等分分割TCD1501的電荷轉移脈沖信號Q1和Q2，形成驅動信號間的關系如圖6所示。
由圖7可知，TCD1501D增加了兩路信號CP和SP，驅動信號間的變換至少包含兩路信號的變換，無法再僅采用單周期自加自減指令和位操作指令控制單片機I/O口產生驅動信號，只能選擇雙周期的I/O端口數據傳送指令進行TCD1501D驅動設計，核心程序如下：
LOOP： ；驅動信號8狀態間的循環程序段
MOV P1,0xD9
MOV P1,0xD5
MOV P1,0xDE
MOV P1,0xCE
MOV P1,0xDA
MOV P1,0xD6
MOV P1,0xDD
JBC P1^4,LOOP
CT0： ；轉移脈沖SH中斷處理程序
SETB P1^5
MOV TH0,#0xF6 ；TH0=（65536-2538）/256
MOV TL0,#0x14 ；TL0=（65536-2538）%256
CLR P1^5
RETI
當晶振頻率相同時，與TCD1208AP相比，TCD1501D的驅動頻率降低一半，但這不影響多數非接觸式測量的應用要求。由上述兩例驅動設計過程可知，根據CCD驅動信號數量的不同和驅動信號的時序關系設計驅動程序，能最大限度地提高信號的驅動頻率，充分發揮單片機驅動的優勢。
2 實驗結果分析
STC89C52是 51單片機中性價比極高的一款單片機，最高工作頻率為35 MHz，6T/12T雙工模式可選，作為線陣CCD驅動，其能滿足應用對象對高速度、低功耗的要求。
本文選擇STC89C52單片機作為試驗平臺，采用keil C51平臺驗證所設計的時序的正確性。試驗中，采用24 MHz晶振作為STC89C52外部晶振，選用6T雙倍速工作模式，內部機器周期0.25 ?滋s。該條件下，TCD1208AP和TCD1501D的時鐘脈沖頻率分別達到了0.5 MHz和0.25 MHz的正常工作要求。圖8和圖9是實際測量的時序圖。
由圖8和圖9可知，當轉移脈沖計數發生中斷時，轉移脈沖SH發生跳變，說明采集完一幀圖像數據。注意，SH的高電平保持時間必須小于Q1高電平保持時間。實際應用中，CCD各信號需滿足特定的時間參數要求。表1和表2是TCD1208AP和TCD1501D理論時間參數和實驗測量參數的對照表，表中時間符號分別與圖2和圖5中的時間符號相對應。
可以看出，實測參數均滿足理論值要求。TCD1501D的RS脈沖寬度是TCD1208AP的RS脈沖寬度的2倍，充分說明驅動信號單周期指令運行速度是雙周期指令的2倍。因此，根據線陣CCD驅動信號數量的不同和驅動信號的關系，合理采用分割法對信號進行分析和編碼，科學選擇單周期指令和雙周期指令，能充分發揮單片機和線陣CCD的綜合性能，提高驅動信號的頻率和穩定性。目前該設計方法在某型號精密位置校正裝置的CCD模塊中得到成功應用。
本文采用51單片機作為線陣CCD的驅動控制器，很好地滿足了CCD驅動強擴展性、高速度、低功耗的應用要求。設計中，根據線陣CCD驅動信號數量和信號關系的不同，采用分割法對驅動時序進行了分析和編碼，利用51匯編指令完成驅動時序的科學編程，完成線陣CCD驅動時序的設計。利用STC89C52單片機，以4路和6路線陣CCD驅動設計為例，提出了多路驅動信號線陣CCD驅動設計的具體方法。本文對驅動時序進行了測試，驗證了實測參數的正確性。該方法得到的驅動時序頻率很好地滿足了線陣CCD的工作要求，穩定性好，為后續CCD驅動開發指明了方向。
參考文獻
[1] 王慶有.圖像傳感器應用技術[M].北京：電子工業出版社，2003.
[2] 曾維友，趙江，羅時軍，等.基于C51的線陣CCD驅動設計[J].湖北汽車工業學院學報，2009，23(1)：62-64.
[3] 盧陽.TDI/CCD圖像傳感器脈沖驅動電路研究及小型可見光CCD攝像機組件設計[D].重慶：重慶交通大學，
2006.
[4] TOSHIBA公司.TCD1208AP數據手冊[S].東京：TOSHIBA公司，2001.
[5] 崔巖，吳國興，殷美琳，等.基于FPGA的線陣驅動設計[J].現代電子技術，2011，34(10)：206-210.
[6] TOSHIBA公司.TCD1501D數據手冊[S].東京：TOSHIBA公司，2001.