引言
    不同廠家、不同型號的CCD的驅動時序是不同的，加之對不同性能、不同應用場合的體積、成本、靈活性要求不同，于是產生了眾多的驅動時序的產生方法，主要有直接數(shù)字電路驅動、單片機口驅動、EPROM驅動、專用IC驅動等常用的驅動時序的產生方法。但是它們存在著邏輯設計較為復雜、調試困難、柔性較差、驅動時鐘低等缺點。

    本文在綜合各種驅動時序方法的基礎上，提出了的一種基于單片機的新型驅動電路。該電路使用獨立的時鐘源產生精確的時鐘脈沖，采用可編程定時計數(shù)芯片和單片機控制相結合的方法，使電路產生穩(wěn)定、精確、高速的驅動脈沖，該電路結構簡單、調試方便、CPU占用率低，降低了系統(tǒng)的總體成本，而且具有良好的柔性，只需要改變驅動軟件就可以應用于不同的CCD芯片，更適合于工業(yè)測量用途。

驅動電路基本組成
    基于單片機的新型線陣CCD驅動電路主要由脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制電路、脈寬調制電路等組成，如圖1所示。

    通常時鐘脈沖可取自以下途徑：單片機XTAL端、ALE端、獨立脈沖源。其中取自XTAL端時，經(jīng)分頻電路得到的脈沖頻率受限制；取自ALE端的脈沖在單片機訪問外部存儲器的時候丟失，精度受影響；而取自獨立脈沖源的脈沖因其獨立性而精度較高，且所產生的脈沖頻率可自由選擇，穩(wěn)定性好，因此本驅動電路選用獨立脈沖源。

    分頻電路可以選用D觸發(fā)器/JK觸發(fā)器，如74LS(HC)74、74LS(HC)76，均帶置位、清零端，較易控制；也可以選用計數(shù)器，如74LS(HC)163(可預置)，8253(2MHZ可編程)，82(C)54(10MHZ可編程)。為了便于調試和增加系統(tǒng)的柔性，本驅動電路選用具有較高頻率的82C54，它含有3個16位減法計數(shù)器， 6種工作方式。其中工作方式2時，起頻率發(fā)生器的作用，CLK端輸入脈沖使計數(shù)器減1，計數(shù)器減到1時停止計數(shù)，并使OUT端輸出負脈沖；方式3起方波發(fā)生器作用，[(N+1)/2]計數(shù)完成之前為高電平，對余下的[(N-1)/2]計數(shù)時輸出低電平。

    控制電路主要由單片機AT89C51及邏輯門電路組成。AT89C51最高工作頻率達24MHz，內含4KB的Flash存儲器。用于82C54的初始化、控制計數(shù)脈沖的通斷、計數(shù)器的啟動、停止及完成系統(tǒng)中其它任務。

    脈寬調制電路主要由阻容電路、單穩(wěn)態(tài)電路(如74LS/HC123)組成。該電路主要用于調整各驅動脈沖之間的相位關系。74LS(HC)123是可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。在觸發(fā)脈沖的上升沿(接B端)或下降沿(接A端)的作用下，輸出Q為高電平，經(jīng)過延時Tw后，輸出Q返回低電平；如果輸出高電平期間，觸發(fā)脈沖又到來，則高電平又會從此刻延時Tw，因此如果觸發(fā)脈沖在高電平期間不斷到來，則高電平將要被無限期的延遲，即輸出為高電平；當外接電阻為R且電容C>1000pF時，Tw=0.45 * R *C 。

圖1驅動電路原理圖

圖2系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)實例
系統(tǒng)組成
    本系統(tǒng)用于測量螺旋槳轉動過程中的槳葉的偏振角。由于螺旋槳具有剛性，其轉動過程中不僅存在擺動，而且存在振動，對其偏擺角的測量需要在螺旋槳轉動過程中采集其瞬態(tài)的位置，利用CCD的成像特性，將螺旋槳瞬態(tài)的位置信息通過CCD成像，光信號轉換為電荷信號，經(jīng)過信號處理電路，轉化為數(shù)字信號，傳輸給CPU處理。系統(tǒng)框圖如圖2所示。

    系統(tǒng)中的光源可以選用有源光源或自然光，根據(jù)測試現(xiàn)場環(huán)境、安裝空間、體積等因素綜合考慮；光學系統(tǒng)可根據(jù)測試現(xiàn)場的尺寸要求及視場要求，根據(jù)幾何光學公式計算選定；CCD選用日本東芝公司的TCD1500C，測量精度和分辨率都很高，內有驅動器和采樣保持電路，輸出可以直接取除了調幅脈沖成分的視頻信號，并且只需3路驅動信號：SH、Φ、RS；信號處理電路用于對CCD輸出的視頻信號進行濾波、放大、二值化、采樣等處理，便于DSP處理；主處理器采用數(shù)字信號處理器DSP，它是一種高性能的單片機，內部結構采用改進的哈佛結構，具有多條數(shù)據(jù)、地址總線，可同時訪問數(shù)據(jù)和程序存儲器，其多級深度流水線，可以預先裝載多達八級指令，指令執(zhí)行速度可達300MIPS~10GIPS(內有多并行CPU)，正廣泛應用于測試、信號處理、通訊等大運算量的領域，可作為協(xié)處理器(大型系統(tǒng))，也可以作為主處理器(中小型系統(tǒng))，并且具有SP、SPI、DMA、PCI、USB接口，也可以與上位機和下位機通訊。

驅動實例
* 驅動時序要求及實現(xiàn)
    TCD1500C的驅動時序如圖3-(a)所示，其工作頻率≤8MHz，取 fF=1MHz,fRS=2MHz，TSH≥(5340+64+12)/2ms。其中圖3-(b)時序由 圖1-(b)實現(xiàn)，由單片機強制置位，以滿足電荷向移位寄存器轉移；圖3-(c)時序由 圖1-(d)實現(xiàn)，其中Re選用精密可調電阻，Ce>1000pF，延遲時間由公式Tw=0.45 * R *C 決定，也可以在示波器上觀察調制。

   驅動電路工作過程如下：上電初始時，控制與分頻電路中的單片機AT89C51開相應中斷，對各控制引腳設定初始狀態(tài)電平。接著對82C54計數(shù)器進行初始化，設定82C54的工作方式：定時器1和定時器2工作于方式3(方波發(fā)生器)，定時器2工作于方式4(軟件觸發(fā)方式)，并寫入初值，然后89C51等待主機的指令-開始測量，則使82C54開始工作，產生驅動脈沖。當產生一個完整的積分周期的驅動脈沖后，89C51停止產生驅動脈沖，等待主機的指令。當CCD第一幀視頻信號有效時，經(jīng)信號處理電路的一系列處理后，可以在同步脈沖作用下對輸出的視頻信號進行A/D轉換，也可以用高頻脈沖計數(shù)二值化后的脈沖寬度，通過通訊將得到的數(shù)據(jù)送給主機處理，主機將測量的結果存入存儲器或直接傳給上位PC機，然后給89C51發(fā)開始命令，驅動下一幀視頻信號，如此往復直至結束。

* 驅動電路的軟件編程
    脈沖發(fā)生電路產生4MHz的方波脈沖，將它通過圖1-(b)分頻電路的兩次分頻，得到1MHz的方波脈沖。圖1-(b)所示時序通過P1.1控制，從而產生f脈沖；定時器0計數(shù)脈沖取自產生f脈沖的第一個分頻器的輸出(2MHz)， 其計數(shù)初始值>(5340+64+12)ms，從而產生SH脈沖;通過把f作為定時器1的計數(shù)脈沖, 計數(shù)初始值=2,再將OUT1的輸出接到脈寬調制電路即可得到RS脈沖。至此，CCD工作所需要的驅動脈沖全部得到。

    89C51產生驅動脈沖的部分程序見網(wǎng)站(www.eaw.com.cn)

圖3 TCD1500C驅動脈沖時序

結語
    該驅動電路綜合了直接數(shù)字電路驅動方法具有較高的驅動頻率和單片機口驅動方法靈活性特點，還具有硬件電路簡單、成本低、軟件編程靈活、可直接方便的受主處理器控制等特點，而且在實際使用中穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值。

參考文獻
1 日本TOSHIBA公司.電荷耦合器件手冊[M].1998
2 王慶有.CCD應用技術[M].天津：天津大學出版社,1993
3 蔡文貴等.CCD技術及應用[M]1.北京:電子工業(yè)出版社,1992
4 何立民.MCS-51系列單片機應用系統(tǒng)設計[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,2000
5 李華.MCS-51系列單片機實用接口技術[M]. 北京:北京航空航天大學出版社,1996