基于DSP技術的CCD測量系統構建

崔穎

（吉林大學通信工程學院，吉林 長春 130000）

引言：

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。這些方法對處理CCD信號的處理器提出了很高的要求。顯然，尋找滿足這些要求的處理器已成當務之急。數字信號處理器 DSP（Digital Signal Processor）是一種具有高速性，實時性和豐富的芯片內部資源的處理器，它的出現為人們解決這個難題提供了一條新的道路。本文將以TMS320VC5410 DSP為例，結合模數轉換器MAX153，介紹DSP在線性CCD測量系統中的應用。

1 系統概述：

系統結構如圖1所示：

本系統主要由線陣CCD，模數轉換器，DSP處理器，主機及時鐘，驅動電路等幾部分組成。系統的工作過程如下：CCD傳感器的光敏元受光的激發將光信號轉化為電信號并在外部驅動脈沖的作用下輸出。CCD的輸出的信號為離散的模擬脈沖序列，在DSP對它進行處理之前，須經過模數轉換器（ADC）轉換為數字信號。DSP將模數轉換的結果存入片內的數據存儲器中以便近一步處理。最后DSP根據用戶的要求將處理結果上傳給主機供用戶使用。

2 基本硬件組成：

2.1 TMS320VC5410 DSP處理器

TMS320VC5410 DSP是TI公司推出的16位定點數字信號處理器。該處理器采用圍繞8條總線的改進型哈佛結構，CPU經過專門的硬件邏輯設計，指令的執行采用流水線方式，加上高度專業化的指令系統使得TMS320VC5410 DSP具有高度的并行性，實時性。因此，它被廣泛地應用在要求實時處理系統中。

圖3 流水線工作方式時序圖

TMS320VC5410 DSP在片資源豐富，片內除有64k字的RAM，16k字的ROM外，還有多到緩沖串行口 McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）, 主 機 接 口HPI(Host Port Interface),直接存儲器存儲DMA(Direct Memory Access)及可編程定時器等外設。這些在片硬件資源都可由用戶根據自己的需求進行軟件設置，這使得該芯片在應用上具有極大的靈活性。

2.2 線性CCD傳感器

采用TCD102C-1線性CCD為例子。它是一二相雙溝道線陣CCD攝像器件，有效光敏元2048個，光敏陣列長約28.672mm,光積分時間 TSH不小于2084s，驅動頻率為1MHZ，內有采用保持電路。其驅動脈沖時序圖如圖2所示：

2.3 模數轉換器（ADC）

采用MAX153模數轉換器。它的采樣頻率達1MHZ，采用轉換時間為660ns，轉換精度為8位，并行輸出，可工作在多種模式下，在本系統中，采用流水線工作模式。在該模式下的時序圖如圖3所示。其中RD讀模數轉換結果的輸入信號，WR為模數轉換開始信號，INT為轉換結束中斷信號。

2.4 主機

一般可采用C51單片機或EUC。它將和DSP通信，顯示或保存DSP的處理結果。

2.5 時鐘及驅動電路

時鐘電路將產生光積分脈沖信號 SH，驅動電路為CCD傳感器提供驅動脈沖 1，2，復位脈沖 R，采樣脈沖 sp及模數轉換器讀寫信號。

3 系統信號采集和處理工作原理

整個系統的工作完全圍繞對信號的不同處理展開，故可將系統的整個處理過程分為四個步驟：（1）CCD傳感器對光信號的采集；（2）模數轉換器對CCD的輸出信號進行模數轉換并傳輸給 DSP；（3）DSP對模數轉換結果保存和處理；（4）DSP 將結果返回給主機，主機顯示或保存結果。

運用DMA傳送數據時，不但軟件設計更為簡單，而且每次對模數轉換結果的保存不需要采用中斷方式，CPU工作可不被打斷，其處理能力得到充分發揮。

DSP在對數據處理完畢之后，結果保存在DSP片內。為了使用戶能夠看到它，需把它顯示出來，可能用戶還要將其長期保存。VC5410 DSP的主機接口HPI（Host Port Interface）主要用于DSP與其他的總線或CPU進行通信。它是一個8位并行口，接口通用，軟件設置簡單。通過HPI接口DSP可將處理結果上傳給主機。更為突出的一點是，主機可通過HPI接口下載用戶程序至DSP片內，這樣以來，用戶可以在不需要更換處理器芯片就可根據外部測量環境和要求，采用不同的算法進行測量。

4 結束語

本文圍繞對數據處理的過程介紹了DSP在線陣CCD測量系統中的應用。系統工作過程包括光信號采集，AD轉換，DSP處理等幾個部分。運用雙緩沖區工作原理，系統以流水線方式工作，提高了DSP對數據處理的效率。由于DSP運算功能強大，在片資源豐富，具有良好的實時性，使得其在對數據處理方面游刃有余。DSP技術必將在CCD技術系統中得到廣泛的應用。

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