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基于單片機(jī)的線陣CCD實(shí)時檢測系統(tǒng)的開發(fā)
摘要：分析了線陣CCD用于實(shí)時檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，介紹了一種基于AT89C2051單片機(jī)的線陣CCD實(shí)時檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。本方案電路結(jié)構(gòu)簡單可靠，信號處理靈活檢當(dāng)，有一定的通用性和啟發(fā)性。CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅(qū)動時序的產(chǎn)生和輸出信號的采集與處理。目前驅(qū)動主要有直接數(shù)字電路驅(qū)動、EPROM驅(qū)動、專用IC驅(qū)動、復(fù)雜的CPLD驅(qū)動等常用的驅(qū)動方法，但是它們存在著邏輯設(shè)計(jì)較為復(fù)雜、調(diào)試?yán)щy、柔性較差等缺點(diǎn)。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，大多數(shù)都經(jīng)過差動放大、采樣保持、A／D轉(zhuǎn)換，再通過總線或采集卡等接口與PC機(jī)相連。這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，而且在信號處理、通信軟件和界面設(shè)計(jì)等方面要耗費(fèi)大量的精力。應(yīng)該說這種應(yīng)用系統(tǒng)在靜態(tài)測量處理方面有其優(yōu)點(diǎn)，但如果要滿足實(shí)時控制系統(tǒng)的連續(xù)檢測要求以及系統(tǒng)體積精小而容易裝配等特點(diǎn)，則必須簡化驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)采集過程和處理方式。本文正是出于這種考慮，開發(fā)出了一種基于單片機(jī)的實(shí)時性檢測系統(tǒng)：僅用Atmel公司一塊小型的AT89C2051單片機(jī)便能產(chǎn)生穩(wěn)定、精確、高速的驅(qū)動脈沖。該電路結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、CPU占用率低，將驅(qū)動、采集和處理融為一體，而且與上位機(jī)的連接僅用兩條導(dǎo)線便可實(shí)現(xiàn)檢測信息傳輸。這種方法大大簡化了線陣CCD檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，在機(jī)器人視覺、智能小車、軌跡導(dǎo)引等動態(tài)檢測方面有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢。
1 線陣CCD實(shí)時檢測系統(tǒng)模型
以機(jī)器人路徑識別為例具體說明如何利用線陣CCD開發(fā)實(shí)時動態(tài)環(huán)境檢測系統(tǒng)。
假設(shè)在一個深色(如黑色、藍(lán)、綠等)平面上用寬度為30mm的白線作為機(jī)器人將要運(yùn)動的軌跡導(dǎo)引線，利用線陣CCD開發(fā)出檢測白線軌跡的檢測系統(tǒng)。先利用光學(xué)系統(tǒng)用攝像頭將路面信息成像到CCD的感光面上；然后讀取白線的位置檢測信息作為機(jī)器人的視覺，讓機(jī)器人在上位機(jī)的控制下沿白線軌跡運(yùn)動。這是一個典型的CCD實(shí)時檢測系統(tǒng)。整體檢測系統(tǒng)如圖1所示。
2 硬件設(shè)計(jì)
利用CCD的光電特性，設(shè)計(jì)出的電路應(yīng)能判別視頻信號上輸出的深色和白色區(qū)別，這樣才能識別白線，時刻反應(yīng)機(jī)器人當(dāng)前所在的物理位置，以便對其運(yùn)動做相應(yīng)的調(diào)整。 線陣CCD選用NEC公司的μPD3575D型號。芯片為20腳DIP封裝，像敏單元數(shù)目為1024，像敏單元大小為14μm×l41μm×l4μm(相鄰像元中心距為14μm)，光敏區(qū)域采用高靈敏度和低暗電流PN結(jié)作為光敏單元，內(nèi)置采用保持電路、輸出放大電路，外觀尺寸為25．5mm×10mm，易于裝卸。該器件工作在5V驅(qū)動(脈沖)、12V電源條件下。
系統(tǒng)簡要電路如圖2所示。驅(qū)動用的單片機(jī)是AT89C2051。它是Atmel公司生產(chǎn)的自帶2KB可編程Flash存儲器的與MSC-51兼容的高性能處理器。它與常規(guī)的51芯片有相同的核心和相近的結(jié)構(gòu)功能如RAM、定時/記數(shù)器、中斷結(jié)構(gòu)、串行口、振蕩器和時鐘電路等；有最高達(dá)24MHz的振蕩頻率，能高速地驅(qū)動CCD；有較少的精簡I／O端口，因此體積很小，非常適用做小型應(yīng)用系統(tǒng)的處理器。對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個高度靈活的有效解決方案。本線陣CCD檢測系統(tǒng)發(fā)揮了其小而靈活的特點(diǎn)，既陡系統(tǒng)資源得到了充分的應(yīng)用又讓系統(tǒng)結(jié)陶精簡緊奏，電路中二值化部分的電位器R_T用來調(diào)整二值化比較電平的閥值(0～5V)，通過它調(diào)節(jié)整個CCD的灰度分辨率。同時整個系統(tǒng)對外接口十分簡單，只需接上電源和兩條通向上位機(jī)的信號線。上位機(jī)只需等待同步信號FC和檢測脈沖信號BIN_OUT到來的中斷信號，與AT89C2051相互獨(dú)立，彼此之間沒有任何時鐘信號或復(fù)用關(guān)系。因此實(shí)際運(yùn)用中器件互換性較強(qiáng)。既可選用普通的AT89C51進(jìn)行一定的端口擴(kuò)展接收FC和BIN_OUT，也可選用中斷能力較強(qiáng)的SOC芯片C8051FXX系列等。整個檢測系統(tǒng)具有良好的柔性，最終電路體積可控制在手掌心大小之內(nèi)。
圖2
3 信號時序及軟件設(shè)計(jì)
由于硬件設(shè)計(jì)時考慮用軟件產(chǎn)生CCD驅(qū)動信號，這樣軟件設(shè)計(jì)的最大難點(diǎn)為既要滿足CCD芯片的驅(qū)動信號要求又要完成檢測信息的完整表述。綜合比較各種方法后得出了整個軟件設(shè)計(jì)思路如下：
驅(qū)動描述：NEC公司的線陣μPD3575D所需驅(qū)動信號與TOSHIBA公司傳統(tǒng)的TCD系列略有差異，具體驅(qū)動信號為：時鐘φ10、轉(zhuǎn)移脈沖φTG、復(fù)位時鐘φRO和采樣保持時鐘φSHO，時序關(guān)系如圖3所示。
μPD3575D為雙溝道線陣CCD，它有兩列525位的CCD移位寄存器，分列在像敏陣列的兩邊，在一個積分的φTG周期中至少有525個φ10脈沖：另外考慮到一些暗信號和空驅(qū)動．本系統(tǒng)開發(fā)中取φ10脈沖寬度約為10μs、φTG積分時間為12ms。
單片機(jī)驅(qū)動主要是通過程序編程控制輸出驅(qū)動的時序信號，可以通過修改程序方便地修改輸出時序，單片機(jī)是靠指令產(chǎn)生I／O口的輸出邏輯，在使用邏輯轉(zhuǎn)移指令時，必須注意精心配置，避免產(chǎn)生驅(qū)動時序相位上的不同步。因?yàn)檗D(zhuǎn)移指令要根據(jù)某些條件產(chǎn)生程序分支，而分支程序在不同的條件下執(zhí)行周期通常不同，會造成CCD驅(qū)動時序不同步。
檢測過程描述：參見圖2的系統(tǒng)電路圖，當(dāng)CCD被驅(qū)動后因其光電特性會有視頻模擬信號Vout輸出，信號如圖4所示�？梢钥闯觯耗M信號Vout在CCD掃描到深色區(qū)和白色區(qū)有明顯的幅值大小區(qū)別，要提取的信息就是這個變化的電壓信號，但單片機(jī)不能直接處理模擬信號Vout，因此必須先將Vout通過二值化處理得到數(shù)字信號BIN(見圖2二值化電路部分)。這樣便得到了反映白線左右兩個邊緣的脈沖信號BIN。為了方便上位機(jī)的處理，不直接輸出信號BIN，而是將BIN反饋給AT89C2051，讓其通過程序編制來捕
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