一）引言

　　電荷耦合器件CCD（chargecoupleddevice）是一種將光信號轉換成電信號的圖象傳感器，在工農業生產和日常生活中有著廣泛的運用。SPI（serial peripheral interface）是一種串行外設接口標準，可實現數據的高速發送和接收。利用SPI與線陣CCD接口需要解決時序匹配和高速數據采集兩個關鍵問題。目前有些單片機內嵌了SPI，為解決上述問題創造了條件。如能通過單片機及內嵌SPI實現與線陣CCD的接口，將能簡化電路，具有較大的實用價值。

　　本文簡要介紹了線陣CCD和SPI的工作原理，以TCD1208AP和單片機內嵌SPI為應用對象，設計了SPI與線陣CCD的接口。具體內容包括：CCD驅動電路，CCD輸出信號處理電路和數據接收方法。實驗表明接口簡單、可靠，具有較大的實用價值。

　　二） CCD工作原理

　　不同于其它器件是以電流或電壓作為信號，CCD是以電荷作為信號，其基本功能是信號電荷的產生、轉移、傳輸和檢測。當光線照射到CCD的像敏單元上時，CCD首先完成光電轉換，即產生和入射光輻射量成線性關系的光電荷，進而產生與光電荷量成正比的弱電壓信號，然后在轉移脈沖的作用下逐位移出，再經過外部電路的濾波、放大處理，輸出一個能表示入射光線強弱的電信號。例如TCD1208AP線陣CCD，有2160個有效像元，像元尺寸為14μm×14μm，像元中心距為14μm，典型工作頻率為1MHz，工作時序如圖1所示。

　　在圖1中，SH是轉移脈沖，它將感光元件產生的電荷信號轉移到轉移柵中;Φ1和Φ2是移位脈沖，它將轉移柵當中的電荷信號逐位轉移出來;RS是復位信號;DOS是CCD信號輸出;OS是輸出信號補償。

　　三）SPI工作原理

　　SPI是MOTOROLA公司推出的一種同步串行外設接口標準，允許MCU與標準的外圍設備直接接口，以串行方式交換信息。在AT89S8253中就配備了SPI。SPI共有四路信號，它們分別是：SCK（串行時鐘）、SS（從機選擇）、MOSI（主機發送從機接收）、MISO（主機接收從機發送），其工作時序如圖2所示。與SPI有關的特殊功能寄存器有控制寄存器SPCR、狀態寄存器SPSR和數據寄存器SPDR。通過對這3組寄存器的編程可以實現SPI的全雙工同步串行工作。

　　四）接口設計

　　4. 1接口組成

　　接口主要由CCD驅動脈沖發生電路、CCD輸出信號處理電路和數據高速采集等部分組成，如圖3所示。

　　在圖3中，單片機輸出一基準時鐘脈沖，由驅動脈沖發生電路產生TCD1208AP所需要的4路驅動信號;CCD輸出的信號送入預處理電路，經過放大、濾波、二值化后送入單片機;單片機通過SPI中斷將數據采集并存儲到SRAM中。

　　4.2CCD驅動脈沖發生電路

　　為了保證線陣CCD穩定可靠的工作，必須給出符合CCD正常工作所要求的驅動脈沖和控制電路。只有驅動脈沖與CCD時序正確配合，才能準確實現CCD的光電轉換和數據輸出功能。圖4是采用AT89S8253、74LS122和74LS74設計的CCD驅動脈沖電路。

　　在圖4 中，利用AT89S8253 的內部定時器T3的方波發生器功能從P1. 0腳輸出頻率為1MHz方波信號，作為基準時鐘脈沖;通過74LS122進行占空比調整，形成RS信號; RS信號經過74LS74進行2分頻產生0. 5MHz的方波信號，作為Φ1 和Φ2;將RS信號送回單片機計數器T0進行計數，當計數滿2212時由P1. 1口輸出一清零信號至74LS74清零端，產生Φ1和Φ2所需的寬電平;在產生清零信號的同時從P1. 2口產生一寬度為1000ns的信號作為SH信號; SH信號和Φ1 寬電平之間的相位關系可通過軟件進行調整。

　　4. 3CCD輸出信號處理電路

　　由于TCD1208AP信號檢測采用選通電荷積分器結構，其輸出信號中疊加了一些由周期性復位信號RS引起的串擾信號，而且有效信號幅值較小（約為500mV） 、直流電壓約有4. 1V。這是一組典型的共模電壓較高、有效差摸信號電壓較低的差分信號。為了消除信號中的復位脈沖串擾和其它干擾，須將微弱的信號進行幅值放大及驅動能力放大。圖5是采用AD623的CCD輸出信號處理電路。

　　在圖5中，AD623集成了三路運放，可單電源工作，具有很高的CMRR和極低的電壓漂移，除了一個用于調節增益的外接電阻外，所有的元件都集成在內部，電路有很高的穩定性和可靠性。CCD輸出信號是離散的時間序列模擬信號，包含著光強信息和一維、二維位置信息，具有很高的數據速率， 通常每秒100k - 10M 字節， 最高達每秒20M字節。根據CCD應用場合的不同，在采集CCD輸出信號前通常還需進行處理。主要方法有兩種：一是將CCD 輸出信號進行二值化處理; 二是進行A /D轉換，使之成為具有灰度級的圖象。

　　對于利用CCD進行物體形狀的檢測，為了簡化后續算法，只將輸出信號進行二值化處理。線陣CCD輸出信號硬件二值化處理的方法主要有：固定閥值法、浮動閥值法和微分法等。當現場工作環境良好，干擾較小時，固定閥值法無疑是最佳的選擇。它只需一個電壓比較器，在比較器一端輸入CCD輸出信號，另一端接參考電壓，當輸入電壓高于參考電壓時，輸出為高;當輸入電壓低于參考電壓時輸出為低電平。只要參考電壓選擇合適，就能達到系統要求。可采用高速比較器MAX941對信號進行二值化處理。

　　4. 4基于SPI的數據采集

　　對AT89S8253的SP I控制寄存器SPCR和狀態寄存器SPSR編程可以實現數據的準確接收，其中SPCR控制寄存器共有8個可編程位，定義如表1所示。由圖1可知， RS的每一個下降沿對應著一個CCD像元信號的輸出。對于SPI， 若令SPCR 中CPHA = 1， CPOL = 0，則SCK的下降沿接收數據。只要SP I的接收同步脈沖SCK和CCD復位信號RS同步，就可以實現CCD數據的準確接收。根據以上的分析，可以將MCU設為從機模式，即令MSTR =0。數據從MOSI輸入，再利用中斷將接收到的數據存入靜態存儲器SRAM。其中SCK由時序產生電路產生。對SPCR的編程可通過以下匯編語言實現：MOV SPCR， #0C4H。

　　五）結束語

　　通過SP I及所依托的單片機實現與CCD線陣的接口是切實可行的。一是利用單片機定時器產生基準時鐘信號;二是使用少量外圍電路結合單片機就可以產生線陣CCD所需要的驅動信號;三是利用SPI即可正確接收線陣CCD輸出的高速圖象數據。實驗證明論文所設計的接口是正確的，能夠滿足應用要求，并且結構簡單、易于實現。當然，由于單片機處理圖象的能力有限，此接口并不完全適用于復雜圖象的處理。

　　參考文獻：

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