基于單片機的線陣CCD實時檢測系統的開發

摘要：分析了線陣CCD用于實時檢測系統的特點和要求，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性。

CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應用系統的關鍵技術在于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在靜態測量處理方面有其優點，但如果要滿足實時控制系統的連續檢測要求以及系統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，開發出了一種基于單片機的實時性檢測系統：僅用Atmel公司一塊小型的AT89C2051單片機便能產生穩定、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檢測系統的結構，在機器人視覺、智能小車、軌跡導引等動態檢測方面有獨特的應用優勢。

1 線陣CCD實時檢測系統模型

以機器人路徑識別為例具體說明如何利用線陣CCD開發實時動態環境檢測系統。

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開發出檢測白線軌跡的檢測系統。先利用光學系統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。整體檢測系統如圖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檢測系統發揮了其小而靈活的特點，既陡系統資源得到了充分的應用又讓系統結陶精簡緊奏，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)，通過它調節整個CCD的灰度分辨率。同時整個系統對外接口十分簡單，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．本系統開發中取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掃描到深色區和白色區有明顯的幅值大小區別，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。這里AT89C205l還要輸出一個同步信號FC(即驅動轉移脈沖φTG)。因為系統是在連續掃描地面信息，故FC脈沖可標志CCD上一次掃描的結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。當收到BIN_OUT的第一個負脈沖后進入中斷并停止，定時器TO；當收到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。

綜合以上驅動和檢測信號要求得出：在主程序中用一個死循環產生連續的四路驅動脈沖，并通過嵌入相應的其他功能的指令來保證四個驅動脈沖的相位關系，對BIN信號的上升沿和下降沿的判斷也在此循環中完成。對BIN信號的當前狀態還必須有一個狀態標志BIN_STATE。一旦遇到BIN信號有電子變化便給出相應的BIN_OUT負脈沖，而BIN_OUT恢復高電平是靠定時器TO溢出中斷服務程序實現的。

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