基于ARM的線陣CCD可調(diào)積分時(shí)間設(shè)計(jì)

高璐 王俊達(dá) 馮彥睿

摘要：為滿足CCD不同積分時(shí)間的需求，利用STM32單片機(jī)定時(shí)器的PWM模式產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)利用上位機(jī)控制產(chǎn)生SH信號(hào)的定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

關(guān)鍵詞：CCD；定時(shí)器；PWM；積分時(shí)間

中圖分類(lèi)號(hào)：TH841 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0189-01

光譜分析廣泛使用冶金、檢測(cè)等行業(yè)，用于測(cè)量被測(cè)樣品元素種類(lèi)以及含量。為生產(chǎn)提供了很大便利，線陣CCD-TCD1304DG傳感器是目前光譜分析常用感光器之一，需要三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)CCD工作，目前積分時(shí)間設(shè)定為一個(gè)固定值，但是不同測(cè)量元素需要積分時(shí)間不同，為了滿足不同積分時(shí)間的要求，通過(guò)STM32單片機(jī)采用控制SH頻率實(shí)現(xiàn)對(duì)積分時(shí)間控。

1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)

CCD工作要求三路驅(qū)動(dòng)信號(hào)M、SH、ICG，STM32F407開(kāi)發(fā)板作為主控芯片，主頻為168MHz，內(nèi)部集成有14個(gè)定時(shí)器，分別設(shè)置定時(shí)器3、4、13為PWM模式，設(shè)定不同頻率和占空比，輸出三路信號(hào)驅(qū)動(dòng)CCD。其中SH的頻率設(shè)定為上位機(jī)控制輸入，TIM3_PWM_ Init（x*20-1，41）函數(shù)設(shè)置頻率，TIM_SetCompare1（TIM3，x*20-10）函數(shù)設(shè)置占空比，通過(guò)上位機(jī)輸入的X值輸出不同頻率的SH信號(hào)。積分時(shí)間其實(shí)就是標(biāo)志采集周期結(jié)束的SH下降沿到倒數(shù)第一個(gè)SH下降沿，可調(diào)積分時(shí)間就是改變兩個(gè)下降沿的時(shí)間。

當(dāng)ICG信號(hào)為低電平時(shí)，積分清除門(mén)處于開(kāi)啟狀態(tài)（相當(dāng)于光敏區(qū)與模擬移位寄存器導(dǎo)通）；如果這段時(shí)間內(nèi)，SH的下降沿被檢測(cè)到，光敏區(qū)采集到的光信號(hào)電荷包就被轉(zhuǎn)移到移位寄存器中，并在ICG信號(hào)回到高電平時(shí)移位輸出。SH、ICG信號(hào)如圖1所示，通過(guò)不同頻率SH信號(hào)，得到不同的積分時(shí)間Tint。

SH最大周期即ICG周期，此時(shí)SH信號(hào)頻率和ICG信號(hào)頻率相同，兩個(gè)下降沿的時(shí)間為10Ms，是最大積分時(shí)間；設(shè)置SH周期減半，即二分法，將SH時(shí)間等分為5Ms，從而使得兩個(gè)下降沿的時(shí)間變?yōu)?Ms，SH信號(hào)的頻率提高一倍，積分時(shí)間變?yōu)樵瓉?lái)一半；再該基礎(chǔ)上再次減半，SH頻率變?yōu)樗谋叮e分時(shí)間再次為前一次一半；通過(guò)不斷二分周期將積分時(shí)間在需要的范圍內(nèi)進(jìn)行更改，進(jìn)而對(duì)兩個(gè)下降沿時(shí)間更改，從而實(shí)現(xiàn)積分時(shí)間可調(diào)。實(shí)現(xiàn)了SH最高頻率100KHZ，積分時(shí)間為10Us；SH最低頻率100HZ，積分時(shí)間為10Ms。圖2（a）最小積分時(shí)間10Us；圖2（b）積分時(shí)間1Ms；圖2（c）最大積分時(shí)間10Ms，圖中波形順序依次為ICG、SH信號(hào)。

CCD能夠正常工作驅(qū)動(dòng)信號(hào)要求驅(qū)動(dòng)時(shí)序，需要設(shè)定ICG下降沿和SH上升沿間隔500ns，偏差不超過(guò)100ns。ICG上升沿在M高電平時(shí)期，并且在M高電平期間ICG從低電平恢復(fù)為高電平狀態(tài)。圖2所示已經(jīng)設(shè)計(jì)得到符合CCD工作時(shí)序的SH、ICG信號(hào)，為得到符合時(shí)序的M信號(hào)，通過(guò)延時(shí)函數(shù)delay_100ns（t），延時(shí)t*100ns，獲得合適的M相位關(guān)系。如設(shè)定延時(shí)函數(shù)為delay_100ns（6），t為250時(shí)，延時(shí)400ns，實(shí)際積分時(shí)間40Us，三路信號(hào)時(shí)序符合時(shí)序要求。

2 設(shè)計(jì)測(cè)試

將設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)CCD工作，通過(guò)得到低壓汞燈譜圖判斷是否驅(qū)動(dòng)信號(hào)能夠驅(qū)動(dòng)CCD正常感光。測(cè)試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)譜圖峰值一致，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)信號(hào)設(shè)計(jì)可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

利用定時(shí)器的PWM模式產(chǎn)生的脈沖模擬方波，驅(qū)動(dòng)CCD感光采集光信號(hào)的設(shè)計(jì)是可行的。利用上位機(jī)對(duì)PWM波頻率的控制實(shí)現(xiàn)改變積分時(shí)間的方式，不僅設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，而且PWM波形規(guī)整，不需要濾波整型電路，降低了PCB設(shè)計(jì)成本。

參考文獻(xiàn)

[1]遲涵文，朱禮堯，吳濤，趙志勇，鄧士杰.基于單片機(jī)的線陣CCD驅(qū)動(dòng)模塊硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2015，34（11）：76-79.

[2]章琦，陳惠明，毛玉兵，白嵐.線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序及信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010，（02）：75-77.

[3]虞益挺，饒伏波，喬大勇，苑偉政.一種新型CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，（02）：388-390.

[4]劉艷，趙洪，于效宇，丁倩.一種可調(diào)線陣CCD信號(hào)采集處理系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體光電，2009，30（02）：294-299.

[5]胡開(kāi)付，王雙保.基于FPGA的CCD光積分時(shí)間大范圍實(shí)時(shí)自調(diào)節(jié)系統(tǒng)[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，7（05）：376-384.