基于單片機ATmega16的CCD驅(qū)動電路的設(shè)計

CCD是一種固體成像器件[1]，應(yīng)用廣泛。CCD工作需要多路脈沖驅(qū)動，并且各路脈沖在時序上要嚴(yán)格對應(yīng)。對于CCD時序的設(shè)計，通常采用CPLD和FPGA技術(shù)，CPLD在低頻CCD時序設(shè)計中使用[2-4]，F(xiàn)PGA則用在更為復(fù)雜的時序設(shè)計中[5]。對于驅(qū)動比較簡單的線陣CCD沒有必要用這種成本比較高的電路。本文針對東芝公司的線陣CCD芯片TCD1304設(shè)計了基于單片機ATmega16的驅(qū)動電路。采用ATmega16的定時器/計數(shù)器timer0的CTC(比較匹配時清零定時器)模式和timer1的相位與頻率修正PWM模式產(chǎn)生所需要的基本波形，可通過修改單片機程序中的參數(shù)來改變輸出波形的頻率和占空比，使得波形調(diào)整便捷。
1  ATmega16的CTC模式及相位與頻率修正PWM模式
　ATmega16的timer0的CTC模式可通過令控制寄存器TCCR0的WGM01=1和WGM00=0來設(shè)定。寄存器OCR0用于調(diào)節(jié)計數(shù)器的分辨率，當(dāng)計數(shù)器的數(shù)值TCNT0等于OCR0中的值時計數(shù)器清零，即OCR0定義了計數(shù)器的TOP值，亦即分辨率。這個模式使得用戶可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率。CTC模式的時序圖如圖1所示。計數(shù)器數(shù)值TCNT0一直累加到TCNT0與OCR0匹配，然后TCNT0清零。

    為了在CTC模式下得到波形輸出，可以設(shè)置輸出腳OC0在每次比較匹配發(fā)生時改變邏輯電平，這可以通過設(shè)置COM01:0=1來完成。在期望獲得OC0輸出之前，首先要將其端口設(shè)置為輸出。波形發(fā)生器能夠產(chǎn)生的最大頻率由公式fOC0=fclk_I/O/2·N·(1+OCR0)來確定，變量N代表預(yù)分頻因子(1、8、64或1 024)。
　ATmega16的timer1的相位與頻率修正模式可通過令控制寄存器TCCR1A和TCCR1B中的WGM13:0=8或9來設(shè)定。該種模式可以產(chǎn)生高精度的、相位與頻率都準(zhǔn)確的PWM波形，其工作時序圖如圖2所示。這是一種雙斜坡操作的模式，計數(shù)器重復(fù)地從BOTTOM計數(shù)到TOP，然后又從TOP倒退回到BOTTOM。TOP的值可由ICR1(WGM13:0=8)或OCR1A(WGM13:0=9)來確定。在一般比較輸出模式下，當(dāng)TCNT1向TOP計數(shù)時，若TCNT1與OCR1A相匹配，輸出腳OC1A(B)清零，并置為低電平；當(dāng)TCNT1向BOTTOM計數(shù)時，若TCNT1與OCR1A相匹配時，輸出腳OC1A(B)置為高電平，工作于反向輸出比較時正好相反。輸出的PWM波形的頻率由公式fOC1A(B)=fclk_I/O/2·N·TOP來確定，變量N代表預(yù)分頻因子(1、8、64或1 024)。通過改變ICR1及OCR1A兩個寄存器的值就可完成PWM波形占空比的調(diào)整。

2 線陣圖像傳感器TCD1304的時序分析
    CCD芯片TCD1304是一款高靈敏度、低暗電流的線陣圖像傳感器，其光電靈敏度的典型值可達到160 V/lx.s，可用于條碼掃描、光譜測量等場合。TCD1304有兩種工作方式：普通工作方式和電子快門工作方式，圖3為在普通工作方式下的時序圖。

    TCD1304工作時需要SH、ICG和ФM 3路驅(qū)動信號。SH的周期表示光信號積累時間，即積分時間，ICG和SH是同步的，ФM是主脈沖，其典型值為2 MHz。OS表示信號輸出，每4個ФM脈沖周期對應(yīng)1位信號周期。可以看出，TCD1304工作時需要的驅(qū)動信號比較簡單，完全可以用ATmega16來產(chǎn)生。
3 電路設(shè)計及實驗結(jié)果
3.1 電路設(shè)計
　基于ATmega16的TCD1304的驅(qū)動電路如圖4所示。  

 
    使用ATmega16的timer0的CTC工作模式產(chǎn)生2 MHz的方波，并由輸出腳OC0輸出，然后經(jīng)過施密特反向器整形后輸出作為ФM(即圖4中的FM)；使用timer1的相位與頻率修正PWM模式產(chǎn)生一定周期的波形，由OC1A腳輸出,同樣經(jīng)過施密特反向器整形后輸出作為ICG；將ICG波形經(jīng)過延時和變窄處理后得到SH信號。圖4中還給出了ATmega16的復(fù)位電路。單片機工作時使用系統(tǒng)內(nèi)部時鐘8MHz，timer1采用8分頻(即1 MHz)作為時鐘輸入。部分的單片機程序如下：
　　初始化部分：
　　LDI   TEMP, $00
　　OUT  TCCR0, TEMP
　　OUT  TCNT0, TEMP  
　　OUT  TCNT1L, TEMP
　　OUT  TCNT1H, TEMP
　　OUT  TIMSK, TEMP
　　設(shè)置timer1和timer0的相關(guān)寄存器：
　　LDI   TEMP, $80
　　OUT  TCCR1A, TEMP
　　LDI   TEMP, $00
　　OUT  OCR1AH, TEMP
　　LDI   TEMP, $04
　　OUT  OCR1AL, TEMP
　　LDI   TEMP, $0e
　　OUT  ICR1H, TEMP
　　LDI   TEMP, $74；
　　OUT  ICR1L, TEMP
　　  
　　LDI   TEMP, $02；
　　OUT  OCR0, TEMP
　　啟動輸出：
　　LDI   TEMP, $71
　　OUT  TCCR0, TEMP
　　NOP
　　LDI    TEMP, $12
　　OUT   TCCR1B, TEMP
　在程序中，由輸出腳OC0輸出的是2 MHz方波，通過寄存器OCR0和TCCR0來確定。輸出腳OC1A輸出的波形周期為T=7.4 ms（ICR1·2·1 μs），對應(yīng)CCD的最短積分時間。改變timer1的寄存器的設(shè)置就可以調(diào)整積分時間。
3.2 實驗結(jié)果
　用示波器測量圖4所示電路產(chǎn)生的SH和ICG波形如圖5所示。通道1為SH波形，通道2為ICG波形，SH的高電平相對于ICG的低電平有一定的延時且寬度較窄。圖6為ICG和ФM的波形圖，通道1為ICG波形，圖中顯示出了上升沿部分，通道2為ФM波形。CCD的輸出信號波形和ICG如圖7所示，通道1為ICG波形，通道2為CCD波形。

    基于單片機ATmega16的CTC模式和相位與頻率修正的PWM工作模式，設(shè)計了CCD時序驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。另外兩種工作模式只使用了單片機很少一部分資源，后續(xù)的CCD信號處理部分(模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲等)可以充分利用單片機的現(xiàn)有資源。
參考文獻
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[2]  許秀貞，李自田. 基于CPLD的可選輸出CCD驅(qū)動時序設(shè)計[J]. 光子學(xué)報，2004，33(12)：1504-1507.
[3]  冉曉強，汶德勝. 基于CPLD的空間面陣CCD相機驅(qū)動時序發(fā)生器的設(shè)計與硬件實現(xiàn)[J]. 光子學(xué)報，2007，36(2)：364-367.
[4]  谷林，胡曉東，羅長州. 基于CPLD的線陣CCD光積分時間的自適應(yīng)調(diào)節(jié)[J]. 光子學(xué)報，2003，31(12)：1533-1537.
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