基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的新型ＣＣＤ測距系統(tǒng)

摘 要：隨著CCD的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，傳統(tǒng)的CCD應(yīng)用電路已經(jīng)很難滿足需要了，為了簡化CCD外圍電路設(shè)計(jì)，提出了一種基于美國德州儀器(TI)公司的一種16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149的新型CCD應(yīng)用電路，簡單介紹了MSP430F149和TCD1702C的功能特點(diǎn)，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)的電路組成部分和軟件的邏輯結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)成功突破了傳統(tǒng)的CCD使用方法，簡化了外圍電路，目前已經(jīng)應(yīng)用在商業(yè)領(lǐng)域。

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關(guān)鍵詞：MSP430F149;CCD;TCD1702C;測距系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0111803

A New Distance Measuring System of CCD on the Foundation of MSp430F149

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WU Shaohua

(China Water Northeastern Investigation Design and Research Co.Ltd.，Changchun，130061，China)

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Abstract：Along with the applied realm of the CCD more and more extensive，the traditional CCD application electric circuit has already can hardly meet the demands，design for the sake of simplification CCD outer circle electric circuit.Putting forward a new kind of CCD applied circuit based on American Texas Instrument Company 16 b MSP430F149.Introducing the function characteristics of MSP430F149 and TCD1702C in brief，analysing the logic structure of that part and software of the constitute of electric circuit in detail，simplified outer circle electric circuit，have alreadied apply in the business realm currently.

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Keywords：MSP430F149;CCD;TCD1702C;distance measuring system

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CCD(光電耦合器件)應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，他應(yīng)用范圍非常廣泛，使用方法也非常多，但傳統(tǒng)CCD的脈沖的產(chǎn)生以及CCD輸出的光脈沖信號(hào)的處理非常復(fù)雜，CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖往往需要由可編程邏輯控制器產(chǎn)生，外圍電路很復(fù)雜，已經(jīng)不適合在小型的測量系統(tǒng)中應(yīng)用。在本系統(tǒng)中就成功突破了傳統(tǒng)的CCD的使用方法，從而使得系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單，測量更準(zhǔn)確，更方便。MSP430F149是美國德州儀器(TI)公司推出的一種16位超低功耗單片機(jī)，該單片機(jī)具有16位RISC結(jié)構(gòu)，125 ns指令周期以及12位200 kb/s的A/D轉(zhuǎn)換器。我們充分利用了MSP430F149具有高速的指令周期和具有A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，通過一組MSP430F149的通用數(shù)字I/O引腳直接產(chǎn)生CCD所需的脈沖信號(hào)，同時(shí)把CCD所產(chǎn)生的光照調(diào)幅脈沖信號(hào)引入單片機(jī)的12位A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入通道，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量就可以直接用來進(jìn)行計(jì)算、分析等工作了。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

新型的CCD測距系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：位于凸透鏡焦平面上的激光器產(chǎn)生的光源經(jīng)過凸透鏡后形成平行光，在凸透鏡和CCD間有兩根直徑大約12 mm的鋼絲，兩根鋼絲間的距離為本系統(tǒng)所要測量的物理量，平行光透過鋼絲均勻地照在CCD上，兩根鋼絲在CCD的光敏陣列面上就產(chǎn)生兩個(gè)與鋼絲等直徑的陰影，由于照在鋼絲上的光源是平行光，因此兩個(gè)陰影間的距離即為兩根鋼絲間的距離。

2 系統(tǒng)的硬件組成

系統(tǒng)的硬件框圖如圖2所示，電源部分分別產(chǎn)生3組電源即12 V，5 V，33 V，單片機(jī)采用美國TI公司的MSP430F149，CCD采用的是日本東芝公司生產(chǎn)的TCD1702C，與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊的芯片是美國MAXIM公司生產(chǎn)的MAX1480，MSP430F149采用的是33 V供電方式，而TCD1702C需要提供12 V的電壓，因此，MSP430F149的通用I/O引腳產(chǎn)生的脈沖需要通過非門74HC04提供給TCD1702C，整個(gè)電路外圍硬件很少，但功能卻很強(qiáng)大，結(jié)構(gòu)非常簡單。

2.1 MSP430F149

雖然MSP430系列單片機(jī)推出時(shí)間不是很長，但由于其卓越的性能，在短短的幾年時(shí)間里發(fā)展極為迅速，應(yīng)用也日趨廣泛。其主要特點(diǎn)有：

超低功耗[HTSS]

MSP430F149單片機(jī)的電源電壓采用18~36 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅01 μA，活動(dòng)模式耗電250 μA/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數(shù))，I/O口輸入端口的漏電流最大僅50 nA。

強(qiáng)大的處理能力[HTSS]

MSP430F149單片機(jī)是16位單片機(jī)，采用了目前流行的、頗受學(xué)術(shù)界好評(píng)的精簡指令集(RTIS)結(jié)構(gòu)，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，使MSP430在8 MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8 MIPS。

高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊[HTSS]

MSP430F149單片機(jī)結(jié)合TI的高性能模擬技術(shù)，集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。組合有以下功能模塊：看門狗(WDT)，模擬比較器A，定時(shí)器A(Timer[CD#*2]A)，串口0，1(USART0，1)，硬件乘法器，定時(shí)器B(Timer[CD#*2]B)，10位12/14 ADC，10位12/14 DAC等。

2.2 TCD1702C

TCD1702C為7 500像元的線陣CCD，其像敏單元尺寸為7 μm長，7 μm高，中心距亦為7 μm，像敏區(qū)總長為525 mm。

TCD1702C為典型的雙溝道二相線陣CCD，他的有效像素單元(7 500像元)分奇、偶兩列轉(zhuǎn)移并分別由OS1和OS2端口輸出。他比普通的線陣CCD的驅(qū)動(dòng)要復(fù)雜一些，多了一個(gè)CP脈沖——鉗位脈沖，該脈沖使輸出信號(hào)鉗制在零信號(hào)電平上。器件內(nèi)部沒有設(shè)置采樣保持電路，OS1和OS2輸出的是光照調(diào)幅脈沖信號(hào)。他也具有片內(nèi)電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)脈沖幅度亦可用CMOS邏輯電路0～5 V，他的最高工作頻率可達(dá)20 MHz。TCD1702C的時(shí)序電路如圖3所示。

他的驅(qū)動(dòng)由5路脈沖構(gòu)成，轉(zhuǎn)移脈沖SH的作用是將存儲(chǔ)柵中光積分所得的光生電荷并行地分別轉(zhuǎn)移到光敏區(qū)兩側(cè)的模擬移位寄存器的Ф1電荷勢阱中。當(dāng)SH脈沖結(jié)束時(shí)，SH為低電平，他使存儲(chǔ)柵和模擬移位寄存器分別工作。存儲(chǔ)柵進(jìn)行光積分，模擬移位寄存器在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下串行地向輸出端轉(zhuǎn)移信號(hào)電荷，最后由OS1，OS2端輸出，得到OS1，OS2信號(hào)。OS1和OS2幾乎是并行輸出的，OS1輸出奇數(shù)像元的信號(hào)，OS2輸出偶數(shù)像元的信號(hào)。

二路并行輸出的優(yōu)點(diǎn)是：在一定的驅(qū)動(dòng)頻率下，二路并行輸出的數(shù)據(jù)率是單路輸出的2倍，這在高速測量中是非常重要的。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，C語言既具有一般高級(jí)語言的特點(diǎn)，又能直接對(duì)單片機(jī)的硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也非常強(qiáng)，許多以前只能采用匯編語言來解決的問題現(xiàn)在都可以改用C語言來實(shí)現(xiàn)了。IAR 嵌入式工作平臺(tái) Embedded Workbench 為開發(fā)不同的MSP430目標(biāo)處理器項(xiàng)目提供了強(qiáng)有力的開發(fā)環(huán)境，并為每一種目標(biāo)處理器提供工具選擇。本系統(tǒng)的軟件全部在IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編寫、調(diào)試。

本系統(tǒng)的軟件采用模塊化的方式設(shè)計(jì)，有利于以后的維護(hù)和升級(jí)。主要包括測量模塊、通訊模塊、顯示模塊等。系統(tǒng)采用中斷方式接收信號(hào)輸入，軟件流程如圖4所示。

系統(tǒng)初始化后，首先在數(shù)碼管上顯示系統(tǒng)的基本信息，此后系統(tǒng)一直處于主程序循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)查詢到有上位機(jī)的通訊命令后，調(diào)用通訊子程序，根據(jù)上位機(jī)的通訊命令作出是否進(jìn)行測量或者回傳測量數(shù)據(jù)給上位機(jī)等。

本系統(tǒng)的系統(tǒng)初始化及測量軟件的部分程序如下:

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)目前在水利行業(yè)的大壩安全監(jiān)測中已經(jīng)得到成功應(yīng)用，該系統(tǒng)可加工成完全密封的結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械式測量儀器不能防潮、防水的弱點(diǎn)，同時(shí)該系統(tǒng)具有測量精度高、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，在水利以及其他行業(yè)的應(yīng)用前景非常廣泛。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社，2000.

［2］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.

作者簡介 吳少華 男，1972年出生，安全監(jiān)測工程師。主要從事水利行業(yè)的大壩安全監(jiān)測的儀器儀表開發(fā)、安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)集成等工作。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。”