基于STM32的CCD成像的設計及實現

褚連勝+郭陽寬+王海軍

摘要：成像系統是星敏感器的重要組成部分，成像系統的好壞會直接影響星敏感器的性能。本文利用STM32F103芯片作為CCD成像系統的主控制器，通過STM32F103控制CCD的頻率和占空比的大小，并由STM32F103的AD轉換模塊將CCD采集的信號由模擬信號轉換為數字信號進行輸出。通過實驗，由STM32F103作為主控的成像系統可以完成CCD對信號的感應與采集。

關鍵詞：單片機；成像系統；CCD

中圖分類號：TN911.73 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0174-01

0 引言

實現星敏感器白天對恒星的探測是實現天文導航系統的全天候工作的關鍵[1]。由于受到大氣層以及白天強烈天空背景輻射的影響，基于APS CMOS的星敏感器實現在白天對恒星的探測非常困難[2][3]。由于CCD圖像傳感器與APS CMOS相比在靈敏度和抗噪聲干擾方面都具有明顯的優勢，研究基于CCD的星敏感器是否可以實現白天對恒星的探測是完成天文導航系統的關鍵[4]。成像系統是星敏感器最主要的組成部分[5]。本文設計的以STM32F103作為主控制器的CCD成像系統電路結構簡單，不需要額外的AD轉換模塊就可實現將CCD采集到的信號由模擬信號轉換為數字信號發送出去的功能。

1 系統結構

整個成像系統由軟件和硬件組成，硬件主要由STM32控制模塊、CCD成像模塊、電源轉換模塊三部分組成，如圖1所示。

圖像傳感器將感應的光線通過STM32F103自帶的A＼D轉換為數字信號傳輸給數據處理模塊。電源模塊提供CCD各個管腳需要的電壓以及為STM32提供驅動電壓，通過調節STM32F103輸出的頻率的大小可將CCD圖像傳感器的性能調節到最優狀態。

2 硬件電路設計

2.1 CCD成像模塊

有關天文資料表明，很多恒星的光譜峰值波長都集中在0.7μm～0.9μm之間，本文選擇峰值波長在0.6μm～0.9μm之間的G11135-512DE。

由單片機將CLK1、CLK2需要的頻率以PWM波的形式發送給CCD；將CCD的12、20、22管腳分別連接到單片機AD轉換模塊相應的管腳。

2.2 STM32控制模塊

將STM32F103的最小系統設計出來后，再分別將其AD轉換功能及PWM頻率輸出功能需要的外圍電路設計出來完成對CCD的連接即可。

2.3 電源模塊

CCD圖像傳感器需要的電壓種類較多，有1.2V，4V，5V，STM32F103需要的電壓為3.3V。由5V電源供電，要完成5V/4V，5V/3.3V，5V/1.2V的轉換。

3 軟件設計

軟件包括兩部分：PWM波輸出CCD需要的頻率和AD采集將CCD采集到的模擬量轉換成數字信號輸出，流程如圖2示。

通過軟件配置PWM波調整圖像傳感器CLK1、CLK2所需要的頻率，配置CLK1為1MHZ，CLK2為20KHZ，使圖像傳感器能夠正常工作。A/D轉換模塊在接收到圖像傳感器信號后開始在高電平觸發A/D轉換，將轉換成的數字信號通過UART傳送給數據處理模塊。

4 測試及結果

為了測量所做系統對光譜的感應，使用不同波長的燈光照射圖像傳感器，利用示波器觀察結果如圖3。

可見，在800nm（圖像傳感器的峰值波長）響應最明顯。實驗結果表明，所設計系統實現了成像要求。

5 結語

本文綜合討論了系統的硬件設計和軟件設計。實驗結果表明STM32F103芯片可以很好的完成對圖像傳感器的控制和數據輸出，使整個成像系統能夠正常工作。為將來整個系統應用于實踐打下了基礎。

參考文獻

[1]寧曉琳，房建成.航天器自主天文導航系統的可觀測性及可觀測度分析[J].北京航空航天大學學報，2005，（06）：673-677.

[2]何家維，何昕，魏仲慧.科學級CCD相機在星敏感器中的設計與應用[J].光電工程，2012，（03）：12-18.

[3]何家維，何昕，魏仲慧，林為才.EMCCD相機在全天時星敏感器中的設計與應用[J].紅外技術，2013，（11）：718-722.

[4]魏合理，陳秀紅，余凱，田永青.白天CCD觀星可探測極限星等值分析[J].強激光與粒子束，2007，（02）：187-192.

[5]韓昌元.光電成像系統的性能優化[J].光學精密工程，2015，23（01）：1-9.

Abstract：The imaging system is an important part of the star sensor， and the quality of the imaging system directly influences the performance of the star sensor. Based on STM32F103 chips as the main controller of the CCD imaging system， CCD through STM32F103 control of frequency and duty ratio of the size， and the AD conversion module of STM32F103 CCD acquisition signal output by analog signals into digital signals. By experiment， the imaging system with STM32F103 as the main control can complete the sensor and collection of the CCD.

Key Words：Single-chip microcomputer；the imaging system；CCDendprint