摘要：针对线阵CCD(Charge Coupled Device)及其外围器材时序杂乱的特色，规划了一种高速线阵CCD收集体系。该体系选用MSP430单片机发生PWM信号完结各器材驱动时序，并将收集成果经过串口发送至上位机。介绍了体系组成及各器材时序同步的规划办法。试验成果表明，该线阵CCD收集体系能够很好的满意规划要求，可作为模块化电路集成到其它丈量体系中。
CCD是新式光电转化器材，具有体积小、高灵敏度、低噪声、读出速度快、动态规模高和全谱呼应等特色，现已广泛运用到图画传感和非触摸式丈量等范畴。正确的CCD驱动需求严厉的时序对应联系，传统的CCD驱动办法存在着调试困难、灵敏性差等缺陷，当驱动电路作业在高频时钟时会呈现严峻的搅扰现象，各逻辑驱动信号不能满意其严厉的相位联系，导致体系作业不安稳，已不能满意其运用的需求。因而，CCD收集体系规划的好坏直接影响CCD驱动时序和输出信号的质量，中心是CCD及外围器材时序发生及同步的规划。
本文结合TI公司16位低功耗单片机MSP430，运用PWM办法发生操作时序，不需外加CPLD等杂乱逻辑器材。试验成果表明：该体系规划中电路和时序均能够很好的满意要求，生成波形杰出，能很好的满意各相位联系。
1 体系组成
本体系选用索尼公司ILX511还原型线阵CCD，该CCD内置时钟发生器与坚持电路、具有易于操作等特色。硬件电路首要由线阵CCD与跟从电路部分、数据处理与存储部分、电压转化部分和MSP430部分组成。软件由初始化部分、数据处理与存储部分、通讯部分构成。体系全体框图如图1所示。
2 硬件规划
2.1 线阵CCD与跟从电路部分
ILX511线阵CCD有用像素为2 048个，内部结构如图2所示。CCD经过模仿移位寄存器在VOUT引脚串行输出信号到后续电路。Vour以2.8 V为基准，输出表征光照强度的模仿电压值，该电压值满意后端模数转化器输入规模，故不需求扩大电路。此外，本规划中将SHSW与GND直接相连，ILX511运用内部采样坚持形式输出信号。
因为ILX511输出阻抗为250欧姆，在ILX511与ADC(模数转化芯片)之间需增加电压跟从器完结阻抗改换。考虑CCD的作业频率和单电源特性，挑选运放AD8041作为电压跟从器芯片。线阵CCD与跟从器电路图如图3所示。
2.2 数据处理与存储部分
ADC的位数对本规划的精度有重要影响，ADC位数的挑选可依据公式
其间A为输入信号的动态规模，M为分辨率要求。
ILX511输出动态规模为267，依据公式(1)可得本规划所需ADC位数≥8.06，即需选用有用位数ENOB(Effective Numbers Of Bits)10位以上模数转化器。本规划选用AD9220，其在1 MHz作业频率下信噪比最小为69 dB，由公式(2)可得其最小有用位数为11.7，满意体系规划要求。
其间SNR为ADC信噪比。
AD转化的输出数据要经过RS232送入上位机，因为AD发生的数据流速率(12 Mb/s)与RS232通讯速率(最高230.4 Kb/s)不配，故AD输出的数据首要存入数据缓冲器FIFO中。因为ILX511每次转化发生2048个数据，因而选用IDT公司的IDT7203芯片经过字宽扩展办法运用。AD9220
和IDT7203衔接办法如图4所示。
2.3 电压转化部分
因为MSP430为3.3 V供电，而CCD和FIFO及运放部分均为5 V供电，为确保逻辑电平匹配，本规划选用TI公司的8位三态总线电平转化芯片SN74LVC4245，该芯片传输推迟最大不超越10ns，能够非常好的满意本规划的时序要求。
2.4 MSP430部分
文中选用MSP430F149单片机作为主控芯片对电路发生驱动信号，经过定时器发生PWM信号。因而，定时器输出引脚和需求同步操作的时序信号相连。此外，FIFO输出成果经过电压转化后并行衔接到单片机IO口。
3 软件规划
MSP430程序首要由初始化模块、数据收集与存储模块和通讯模块组成。程序流程图如图5所示。
3.1 初始化模块
初始化模块包含以下3个部分：MSP430初始化部分、FIFO初始化部分和CCD初始化部分。
MSP430初始化部分包含时钟初始化、串口初始化和IO初始化。时钟初始化设定单片机时钟来历及频率，此频率将决议单片机PWM和串口通讯速率的核算以及PWM输出时定时器的设置。串口初始化只需装备相关寄存器、设定好波特率和敞开中止即可。IO初始化将没有用到的IO进行装备。
FIFO在上电和每次写操作之前需进行复位，FIFO复位后EF标志位为低电平，当MSP430单片机检测到EF为低电平时即可开端发生后续所需作业时序。
CCD初始化作业分为两部分：在其正式操作前需增加至少22 500个CLK脉冲来安稳输出;每次作业前由ROG信号和CLK信号完结初始化。
3.2 数据收集与存储模块
数据收集和存储模块完结对体系中各器材间时序的发生和同步操作，将收集到的光谱数据暂存到FIFO中。
由图6可知，ILX511在完结初始化作业后，在每一个CLK时钟下降沿时输出信号。ILX511一个采样周期由2087个CLK周期组成，在前33个周期和最终6个周期输出无用信号(Dummy Signal)，中心的2048个信号输出有用信号。因而，AD9220需求在CLK开端后第34个周期发动转化。AD 9220某次转化的成果在其输入后3周期输出，故FIFO需在AD9220第一次转化成果输出时发动写信号，即在CCD第37个CLK时发动。又因为CCD在CLK低电平时输出信号，AD9220在CLK高电平时采样和输出，FIFO写信号低电平时有用，故AD9220的时钟和CLK反相，FIFO写信号和CLK同相。
结合MSP430定时器灵敏的PWM输出形式，CCD的CLK信号、AD9220的时钟和FIFO的写信号经过定时器B的引脚输出PWM信号完结，各个时钟周期之间的延时经过精准的延时函数完结。程序如下。
经过逻辑分析仪实测MSP430各引脚输出，成果如图7所示，各驱动信号时序正确，相位匹配杰出，彻底满意CCD及外围电路驱动时序要求。
3.3 通讯模块
通讯模块首要经过MSP430的中止完结发送数据到上位机的功用。通讯模块程序流程图如图8所示。
在ADC将CCD输出的数据悉数转化完结并将FIFO存满后，IDT7203的FF标志位变低触发MSP430的外部中止服务程序。若需从头发送某次成果，需在进行下一次收集之前，由上位机发送“A”至下位机;若要持续收集，则由上位机发送“C”至下位机。MSP430发生串口接纳中止后，判别是否进行从头发送、持续收集。
4 结束语
文中在分析线阵CCD器材驱动时序和外围电路特色的基础上，以MSP430作为主控芯片输出PWM的办法，创造性地提出了一种线阵CCD驱动电路和时序的规划办法。试验验证了所规划的体系能够很好地满意时序要求和完结全体功用。因为选用模块化规划，本体系能够和引脚兼容的同类CCD共用，一起能够结合MSP430低功耗特色作为模块组合运用在不同布景和需求中。
