基于線陣CCD的實驗教學平臺設計

基金項目：河北省教育廳高等學校教育改革研究與實踐項目“面向產出導向的測控專業”思專創融“培養體系構建的研究與探索”（2021-GJJG-056）；河北省教育廳高等學校教育改革研究與實踐項目“測控專業實踐教學思政設計及評價體系建設”（2020-GJJG-522）

第一作者簡介：萬峰（1971-），男，漢族，吉林遼源人，博士，副教授，碩士研究生導師。研究方向為光電儀器。

*通信作者：肖艷軍（1976-），男，漢族，河北滄州人，碩士，教授，碩士研究生導師，教育部儀器教指委協作委員，測控系主任。研究方向為新型感知與智能控制。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.22.022

摘 要：在光電類課程的實驗教學中，電荷耦合器件（CCD）是一個重要內容，傳統的相關實驗教學一般以演示性實驗為主，導致學生對該器件的了解不夠深入。該文提出一種適合各種線陣CCD的綜合實驗平臺，采用該平臺學生可以自主進行CCD驅動電路的設計實驗、積分時間調節實驗、角度測量實驗和長度測量實驗等。通過使用該平臺，有助于提高學生的線陣CCD使用能力、單片機調試能力、基于LabVIEW的軟件編程能力、電路板焊接能力和光路搭建能力。

關鍵詞：電荷耦合器件；實驗平臺；驅動電路；實驗教學；光電類課程

中圖分類號：TH741 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2024）22-0092-04

Abstract： Charge-coupled Device（CCD） is an important content in the experimental teaching of photoelectric courses， but the traditional experimental teaching is mainly based on demonstration experiment， which leads to students' lack of in-depth understanding of the device. In this paper， a comprehensive experimental platform suitable for all kinds of linear CCD is proposed. With this platform， students can independently carry out CCD driving circuit design experiment， integral time adjustment experiment， angle measurement experiment， length measurement experiment， etc. Through the use of this platform， it is helpful to improve students' ability of using linear CCD， debugging ability of single chip microcomputer， software programming ability based on LabVIEW， circuit board welding ability and ability of optical construction.

Keywords： Charge-coupled Device; experimental platform; drive circuit; experimental teaching; photoelectric course

電荷耦合器件（Charge-coupled Device，簡稱CCD）是光電類課程的課堂教學及課后實驗的必修內容，雖然市面上的一些光電實驗平臺中有CCD的相關實驗項目，但均以演示性實驗為主，對外開放的部分太少，學生難以獲得更多的實驗機會，從而導致不能全面理解器件的功能及其典型應用。針對現有實驗平臺的不足，本文提出了一種線陣CCD綜合實驗平臺[1-3]，通過使用該平臺，學生可以掌握線陣CCD使用、表面貼元件焊接、單片機使用，初步掌握光路系統的搭建和調試，并在一定程度上掌握LabVIEW編程。

一 實驗教學平臺總體方案設計

如圖1所示，綜合實驗平臺由三部分組成：基于C8051F020的線陣CCD驅動電路、光學系統、基于LabVIEW的軟件編程系統。每一個部分均能實現對學生不同能力的鍛煉，基于C8051F020的線陣CCD驅動電路鍛煉學生的CCD驅動電路設計能力和單片機調試能力；光學系統鍛煉學生的光路搭建和調試能力；基于LabVIEW的軟件編程系統能夠鍛煉學生的圖形化編程能力[4-6]，從而使學生掌握不同的能力。下面分別對每一部分的功能進行詳細的介紹。

（一） 基于C8051F020的線陣CCD驅動電路系統

線陣CCD必須在幾路時序匹配的脈沖驅動下才能正常工作，因此產生脈沖是關鍵所在。本文采用單片機來產生方波脈沖，既能保證各路脈沖間的時間間隔，同時學生也能學習單片機的開發和使用。本文所選擇的單片機為集成化單片機C8051F020，該單片機具有傳統51單片機的內核，同時集成了RAM、AD等多種外設，學生可以統一學習使用。基于C8051F020的線陣CCD驅動電路系統包括：C8051F020的最小系統、電源供電電路、CCD驅動電路、信號輸出處理電路（含數字電位器的可調增益）和通信電路等幾個部分，如圖1所示。

1 單片機C8051F020最小系統

單片機的最小工作系統是所有單片機教學的必修內容和學生必須掌握的內容。C8051F020單片機完全是51內核，指令系統完全兼容傳統51的指令，可以開發匯編語言的程序和C程序，可以作為傳統單片機的教學使用。最小系統包括以下幾個部分：①開發環境。在這個環境中可以進行程序的調試，可以進行匯編語言和C語言的程序編程，學生可以使用這個環境進行程序的編寫練習。②下載系統。下載系統將開發者進行調試完成的程序下載到計算機。③外圍配置。單片機外圍配有一個晶振，該單片機使用的電源是+3.3 V，因此需要一個電壓轉換的芯片AS1117。最小系統如圖2所示，將單片機的各個引腳通過排針引出，然后通過杜邦線與其他被控元件的各個引腳相連接。在實驗初期，向學生提供已經焊接完成的電路板，由學生通過插線完成器件連接。在實驗后期，可以向學生提供相應的電路板和元件，由學生自己完成芯片的焊接。單片機是100腳的TQFP表面貼元件，三端穩壓電源AS1117也是表面貼元件，可以鍛煉學生在焊接表面貼元件方面的能力，提供相應的材料為焊錫、松香、電烙鐵和吸錫帶等，在教師演示后，由學生進行操作，然后由教師對焊接結果進行考核，檢查是否有虛焊、管腳連接等問題，根據情況進行評判。

圖1 實驗平臺總體框圖

圖2 單片機C8051F020最小系統圖

2 線陣CCD驅動脈沖產生電路

線陣CCD必須在幾路時序匹配的脈沖驅動下才能工作，這是該類器件與其他光電器件不同的地方，因此CCD驅動電路的設計是關鍵問題。常用線陣CCD，如TCD1200、TCD1201、TCD1205D和ILX511等均有相同的封裝形式，為22腳的雙列直插，但是每個CCD的各個引腳的功能不同。因此在電路板上放置一個22腳的空IC座，周圍與排針相連，如圖3所示。如果某個引腳需要與單片機的引腳相連接，可以通過杜邦線進行插線連接，這種方式可以保證連接的可靠性。學生在仔細閱讀某種線陣CCD的說明書之后，進行連線，主要是單片機的引腳與CCD引腳之間的連線，然后再對CCD的其他引腳進行連線（包括電源、地等引腳）。學生連線完成后，教師可以進行檢查和評判。電路連接完成后，編寫相應的單片機驅動程序，由相應的軟件和硬件配合完成CCD的驅動。

圖3 基于C8051F020的CCD驅動電路圖

3 線陣CCD輸出信號處理電路

因為CCD的輸出信號是一個浮置信號，是在一個正向信號上反向輸出，因此為了提出有效的CCD信號，采用如圖4所示的減法電路。該減法電路的公式為

，

USIGNALOUT=2×Vref-UCCDOUT 。

該電路是反相放大器加一個初始參考電壓Vref，進行減法運算，正確地取出CCD的輸出信號，然后將信號直接輸入到C8051F020的AD轉換輸入端口，進行AD轉換，轉換的結果可以存儲在單片機內部的存儲器RAM中。在積分時間一定的前提下，考慮到有時積分時間過短導致信號太小，對后續的數據處理不利，所以在電路中增加了可編程電位器，從而可以改變放大倍數，平時電位器的阻值放在最低檔，起到放大作用的是電阻Rf，它的阻值與外接電阻R1的阻值相等，就是大小不變取出信號。電位器的型號為AD5542，八腳的表面貼器件，外圍的引腳通過杜邦線與單片機相連。可以通過改變電位器的值來改變放大倍數，從而實現可變增益。通過該部分的學習，學生可以搭建運放的反相放大電路，可以掌握反相放大電路的基本原理及使用和調試方法；同時可以在電路中接入數字電位器，實現放大倍數的調節。電路板上的所有元件均沒有連線引出，每個引腳均和一個孔相連，這樣可以用杜邦線對兩個引腳之間進行連線，這部分工作完全由學生完成，可以使學生在充分了解元件的性能和每個元件引腳功能的前提下，最大限度地給與學生自由化，充分鍛煉學生的能力。由于各種線陣CCD均為22腳DIP封裝，因此可以在電路板上放置一個DIP22的插座，可以將不同類型的器件（不同類型的器件有不同的引腳定義和不同的驅動脈沖路數）插在上面，通過杜邦線連接，實現不同類型線陣CCD驅動電路的設計練習。

圖4 線陣CCD輸出信號處理電路圖

（二） 光學系統設計

光學系統中的主要元件包括：光源、成像透鏡、光具座和被測物體等。長度測量的光路系統結構如圖5所示，此處光學的基本原理是物像位置關系和垂軸放大率，測量的基本原理是包括光學的基本成像特性，可以在此處進行光學成像的練習，同時可以實驗一些光學公式。

從圖5中可以看到，在理想像面上的黑暗部分的光強基本為零，因此該部分的輸出信號為小信號，測出小信號的數量，然后乘以每個單元的長度，即可測出像的大小，然后再經過高斯公式的計算，就可以得到物體的真實尺寸。

利用線陣CCD測量物體傾斜角度的實質屬于尺寸測量和類型。在如圖6所示中的水平粗線代表線陣CCD的像敏單元陣列，假設被測物體的軸線與像元排列方向垂直，線陣CCD將測出它的直徑寬度為D，當該物體旋轉了角度α后，CCD測量出來的寬度值也發生變化，變為DS。

從如圖6所示的測量原理圖可以推導出被測物的傾斜角度α的計算公式為

α=arccos（■）。

通過上述兩個實驗，學生可以學習并掌握簡單的光路搭建和調試。

（三） 基于LabVIEW的軟件編程系統

LabVIEW軟件是一種虛擬儀器軟件，支持圖形化編程，使用者能夠快速地搭建測試平臺。目前很多高校開設的虛擬儀器課程的實驗部分都是使用LabVIEW進行講授。軟件的流程圖如圖7所示。

圖5 基于線陣CCD的長度測量系統

圖6 基于線陣CCD的角度測量系統

圖7 LabVIEW程序后面板圖

前面主要是串行通信部分，將接收到的數據進行處理，可以通過使用LabVIEW所給出的循環、順序、選擇等結構及數組的相關組件進行編程，并進行數據處理。綜上所述，該實驗平臺可以進行表1中的12種實驗。

二 實驗設計

學生首先可以根據給定型號的線陣CCD，仔細閱讀說明書了解各個引腳的功能，然后使用杜邦線進行電路連接，通過閱讀說明書，了解器件的脈沖時序匹配圖，然后編寫單片機的波形產生程序，此處可以練習程序編寫和學習使用單片機；然后下載程序和調試程序。通過示波器觀察波形，判斷CCD輸出信號是否正常，從而判斷程序是否正確；通過在程序中加入NOP等空指令，實現程序的延時，增加或減小積分時間，從而實現對積分時間的理解，更加理解器件。也可以結合簡單的光學元件實現角度和長度的測量。

三 結束語

目前該實驗平臺已經在河北工業大學測控技術及儀器專業的大三和大四本科生中廣泛使用，取得了很好的效果，學生的實驗能力和動手能力都得到了很大的提高。在各個大學普遍重視科研和理論的今天，重視培養應用型學生也是必不可少。

參考文獻：

[1] 譚筠梅，藍天，張晶.工程教育認證背景下的單片機實驗教學改革[J].實驗科學與技術，2018，16（2）：150-152，165.

[2] 肖艷軍，楊澤青，周圍，等.測控專業人才培養目標及培養模式創新性研究[J].實驗技術與管理，2016，33（3）：20-22.

[3] 王琳霖，王偉，曹國強，等.基于單片機的機電控制實訓平臺設計[J].實驗技術與管理，2018，35（4）：82-85.

[4] 周志堅，顏培榮，馮雪，等.LabVIEW和ARM虛實結合的模擬電路實驗平臺[J].單片機與嵌入式系統應用，2019，19（7）：47-50，77.

[5] 鐘沖，張抒.“雙一流”背景下高水平實驗室新體系建設研究[J].實驗技術與管理，2021，19（2）：151-156.

[6] 萬峰，范世福.以c8051F020為核心的CCD驅動與采集系統的設計[J].光學精密工程，2005（S1）：179-182.