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(shè)計方案。本方案電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，信號處理靈活檢當(dāng)，有一定的通用性和啟發(fā)性。

CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅(qū)動時序的產(chǎn)生和輸出信號的采集與處理。目前驅(qū)動主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動、EPROM驅(qū)動、專用IC驅(qū)動、復(fù)雜的CPLD驅(qū)動等常用的驅(qū)動方法，但是它們存在著邏輯設(shè)計較為復(fù)雜、調(diào)試困難、柔性較差等缺點。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，大多數(shù)都經(jīng)過差動放大、采樣保持、A／D轉(zhuǎn)換，再通過總線或采集卡等接口與PC機相連。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，而且在信號處理、通信軟件和界面設(shè)計等方面要耗費大量的精力。應(yīng)該說這種應(yīng)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(qū)動電路、數(shù)據(jù)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(chǎn)生穩(wěn)定、精確、高速的驅(qū)動脈沖。該電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、CPU占用率低，將驅(qū)動、采集和處理融為一體，而且與上位機的連接僅用兩條導(dǎo)線便可實現(xiàn)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(jié)構(gòu)，在機器人視覺、智能小車、軌跡導(dǎo)引等動態(tài)檢測方面有獨特的應(yīng)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(shè)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(dǎo)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(xué)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(shè)計

利用CCD的光電特性，設(shè)計出的電路應(yīng)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(yīng)機器人當(dāng)前所在的物理位置，以便對其運動做相應(yīng)的調(diào)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(shù)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(jié)作為光敏單元，內(nèi)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(qū)動(脈沖)、12V電源條件下。

系統(tǒng)簡要電路如圖2所示。驅(qū)動用的單片機是AT89C2051。它是Atmel公司生產(chǎn)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(jié)構(gòu)功能如RAM、定時/記數(shù)器、中斷結(jié)構(gòu)、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(qū)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(yīng)用系統(tǒng)的處理器。對很多嵌入式控制應(yīng)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(yīng)用又讓系統(tǒng)結(jié)陶精簡緊奏，電路中二值化部分的電位器R_T用來調(diào)整二值化比較電平的閥值(0～5V)，通過它調(diào)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(fù)用關(guān)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(nèi)。



3 信號時序及軟件設(shè)計

由于硬件設(shè)計時考慮用軟件產(chǎn)生CCD驅(qū)動信號，這樣軟件設(shè)計的最大難點為既要滿足CCD芯片的驅(qū)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(shè)計思路如下：

驅(qū)動描述：NEC公司的線陣μPD3575D所需驅(qū)動信號與TOSHIBA公司傳統(tǒng)的TCD系列略有差異，具體驅(qū)動信號為：時鐘φ10、轉(zhuǎn)移脈沖φTG、復(fù)位時鐘φRO和采樣保持時鐘φSHO，時序關(guān)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(qū)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(qū)動主要是通過程序編程控制輸出驅(qū)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(chǎn)生I／O口的輸出邏輯，在使用邏輯轉(zhuǎn)移指令時，必須注意精心配置，避免產(chǎn)生驅(qū)動時序相位上的不同步。因為轉(zhuǎn)移指令要根據(jù)某些條件產(chǎn)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(qū)動時序不同步。

  檢測過程描述：參見圖2的系統(tǒng)電路圖，當(dāng)CCD被驅(qū)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(shù)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捉其上升沿和下降沿的跳變，再從另外的引腳輸出與BIN上升沿和下降沿同步的負脈沖信號BIN_OUT。這樣上位機可方便地通過中斷檢測到白線的左右側(cè)。這里AT89C205l還要輸出一個同步信號FC(即驅(qū)動轉(zhuǎn)移脈沖φTG)。因為系統(tǒng)是在連續(xù)掃描地面信息，故FC脈沖可標志CCD上一次掃描的結(jié)束和新一行掃描的開始。新一行開始掃描時，上位機收到FC負脈沖后可進入中斷對定時器TO、Tl清零并立即開始計數(shù)。當(dāng)收到BIN_OUT的第一個負脈沖后進入中斷并停止，定時器TO；當(dāng)收到BIN_OUT的第二個負脈沖后進人中斷并停止定時器T1，讀出定時器TO、T1里的數(shù)t0、t1。t0、t1便反映了路面白線的坐標位置，很明顯t1與t0之差便是白線寬度。

綜合以上驅(qū)動和檢測信號要求得出：在主程序中用一個死循環(huán)產(chǎn)生連續(xù)的四路驅(qū)動脈沖，并通過嵌入相應(yīng)的其他功能的指令來保證四個驅(qū)動脈沖的相位關(guān)系，對BIN信號的上升沿和下降沿的判斷也在此循環(huán)中完成。對BIN信號的當(dāng)前狀態(tài)還必須有一個狀態(tài)標志BIN_STATE。一旦遇到BIN信號有電子變化便給出相應(yīng)的BIN_OUT負脈沖，而BIN_OUT恢復(fù)高電平是靠定時器TO溢出中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)的。

    本系統(tǒng)用一片小型單片機完全實現(xiàn)了預(yù)定功能，幾乎沒有復(fù)雜的外圍電路器件，結(jié)構(gòu)簡單可靠，硬件、軟件代價都較低，系統(tǒng)成本預(yù)算較低。整個檢測系統(tǒng)角在機器人視覺上實驗效果也非常理想。系統(tǒng)可根據(jù)具體的需要和要求進行擴展和改變，如增加信號輸出、改變檢測系統(tǒng)和上位機的信號接口等。