DSP在线阵CCD测量系统中的应用

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[组图]DSP在线阵CCD测量系统中的应用

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DSP在线阵CCD测量系统中的应用

作者：钱强等文章来源：单片机与嵌入式系统应用点击数：更新时间：2004-7-27

1 引言

　电荷耦合器件CCD（charge coupled device）是一种半导体光学成像器件。自从研制成功以来，由于其体积小、高分辨率、高精度、稳定性好、抗震动、抗电磁干扰等优点，已在工件尺寸测量，工件表面质量检测，物体热膨胀系数检测，以及图像传真，摄像机，智能传感器等方面得到了广泛的应用，这大大地促进了CCD的发展。人们也相应地研究了许多处理CCD信号的方法，如处理线性CCD的小波分析法，重心法等。这些方法对处理CCD信号的处理器提出了很高的要求，寻找满足这些要求的处理器已成当务之急。数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）是一种具有高速性，实时性和丰富的芯片内部资源的处理器，为人们解决这个难题提供了一条新路。本文将以TMS320LF2407A DSP为例，介绍DSP在线性CCD测量系统中的应用。

2 系统工作原理及过程

　　
　　基于DSP技术的线阵CCD测量系统主要由线阵CCD、DSP处理器、图形液晶显示器、控制电路等几部分组成，系统结构如图1所示。系统的工作过程如下：CCD传感器的光敏单元受光的激发将光信号转化为电信号并在驱动脉冲的作用下输出。CCD的输出信号为离散的模拟脉冲序列，在DSP处理器对它进行处理之前，须经过模数转换。处理器将模数转换的结果存入片内的数据存储器中以便进一步处理。最后DSP根据用户的要求将处理结果上经图形液晶显示器显示给用户。

3 硬件组成

3.1 TMS320LF2407A DSP

　　TMS320LF2407A是TI 公司推出的16位定点DSP。该处理器采用改进型哈佛结构，CPU经过专门的硬件逻辑设计，指令的执行采用流水线方式，加上高度专业化的指令系统使得TMS320LF2407A DSP具有高度的并行性和实时性。
　　TMS320LF2407A在片资源丰富，片内除有32k字的FLASH ROM，2.5k字的RAM外，还有带内置采样和保持的10位精度的模数转换器（ADC），最小转换时间500ns；两个事件管理器模块（每个事件管理器都含有两个可编程定时器），串行通信接口模块（SCI），串行外设接口模块（SPI），CAN控制器模块等外设。此外，该处理器有多达41个通用.双向的数字I/O引脚，用户可根据自己的需求进行软件设置。这些使得该芯片在应用上具有极大的灵活性。

3.2 线阵CCD传感器

　　采用TCD102C线性CCD为例子。它是一二相双沟道线阵CCD摄像器件，有效光敏单元2048个，光敏阵列长约28.672mm，光积分时间 TSH不小于2084ms，驱动频率为1MHz，其占空比为1:3。传感器内部具有采用保持电路。其工作脉冲时序图如图2所示。转移脉冲FSH 的周期即一次光积分的时间大于2084 个T（T为驱动脉冲的 F R 的周期），高电平时间至少为一个T。F1 、F2 的频率为F R 的一半。

3.3 显示电路和外部控制电路模块

　　由于液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、质量轻、超薄等诸多其他显示器无法比拟的优点，它被广泛地应用于各种智能型仪器和低功耗电子产品中。因此，本文将以液晶显示器MG-12232作为线阵CCD测量系统中的显示模块。
　　测量系统的控制电路采用控制按键，这样可使系统的硬件电路更为简单。

4 系统设计

4.1 系统硬件设计

4.1.1 DSP处理器与线阵CCD间的硬件接线

　　由于TCD102C线阵CCD传感器的光积分时间TSH与入射光的强度，光敏单元的个数，驱动脉冲的频率有关。为了使系统正常工作，传感器的驱动脉冲信号应由DSP处理器产生。TCD102C线阵CCD传感器的工作脉冲有FSH 、F1 、F2 、F R 、FSP ，它们的时序图如图2所示。从图2中线阵CCD传感器的驱动脉冲的分析可知，传感器的驱动脉冲都为周期性方波但周期和占空比不同。LF2407A DSP 处理器的片内含有两个事件管理模块EVA和EVB，每个事件管理模块包括通用定时器、比较单元等电路。DSP处理器的通用定时器具有比较操作功能，每个通用定时器都有一个相关的比较寄存器TxCMPR 和一个PWM输出引脚TxPWM 。定时器的值总是与相关的比较寄存器的值进行比较，当定时器的记数器的值与比较寄存器的值相等时，就产生了比较匹配。如果比较使能的话，相应的引脚的输出将发生跳变，且跳变的极性可由用户通过软件进行设置。可见利用片内事件管理器资源产生脉冲控制信号并经DSP的引脚输出至CCD传感器的驱动电路引脚的方法，使得系统的硬件电路大为简化。

　　在该系统设计中，定时器T3，T4，T1 ，T2分别用于产生光积分脉冲FSH ，驱动脉冲F1 、F R 、 FSP ，F1经反相器后变可得到 F2。CCD传感器的输出光积分信号直接送DSP处理器的模数转换输入引脚ADCIN00。CCD传感器与DSP处理器间的硬件接线如图3 所示。

4.1.2 DSP处理器与显示模块及控制模块间的硬件设计

　　为使测量系统硬件电路简单，DSP处理器与控制电路及显示模块的硬件设计充分利用DSP处理器的通用、双向的数字I/O（GPIO）引脚。

　　TMS320LF2407A DSP处理器有多达41个通用、双向的数字I/O（GPIO）引脚，其中大多数的引脚都是基本功能和一般I/O功能复用的引脚。通过9个16位的控制寄存器的软件设置，可配置这些引脚的功能并读取其状态和输出特定的数据。

　　显示模块MG-12232的硬件接口控制时序设置为M6800操作时序，DSP处理器的I/O引脚IOPC4-IOPC7 分别接至显示模块的控制信号引脚A0，R/W，E1和E2。IOPA0-IOPA7与显示模块的数据引脚D0-D7相连，用于输出计算结果。
　　测量系统的控制电路采用控制按键，这样可使系统的硬件电路更为简单。按键的动作可控制DSP处理器的IOPD0的电平的高低。用户设置DSP处理器I/O 引脚的为数据读入方式，DSP处理器的主程序可读取I/O 引脚的状态值。主程序根据IOPD0引脚的状态值控制测量系统的工作。

　　DSP处理器与显示模块及控制模块间的硬件连接如图4所示。

4.2 系统软件设计

4.2.1 测量系统的软件设计思想

　主程序流程如图5所示。

　复位脉冲FR每到来一次CCD传感器将输出一个光敏单元信号，DSP处理器片内的模数转换器ADC 对该信号进行模数转换处理。因此，光敏单元信号的输出及模数转换器工作在时间上须同步。DSP 处理器定时器的比较匹配信号可作为的ADC的启动信号源，这一点为设计带来了极大的便利。只要通过软件设置ADC的控制寄存器相应的控制位，置定时器的比较匹配信号启动模数转换，即可达到光积分信号及模数转换器同步的目的。每次ADC的转换完成都将产生中断信号，提示处理器提取数据。

　　由于定时器及ADC的中断程序实现的功能比较简单，在本文中不给出具体的流程图。

4.2.2系统各部分初始化程序

（1）通用、双向的数字I/O（GPIO）引脚配置程序：
　　GPIO引脚控制寄存器可分为两类：（1）I/O复用控制寄存器（MCRx）：用来控制选择I/O口作为基本功能或一般I/O引脚功能；（2）数据和方向控制寄存器（P xDATDIR）：当I/O口用作一般I/O引脚功能时，用数据和方向控制寄存器可控制数据和到双向I/O引脚的数据方向。
LACL MCRA
OR #0000 0000 0000 1100b ；设置定时器T1、T2的比较输出引脚为基本功能，IOPA0-IOPA7为一般IO口引脚
SACL MCRA
LACL MCRB
OR #1111 1110 0000 0000b ；设置IOPC0-IOPC7，IOPD0为一般IO口引脚
SACL MCRB
LACL MCRC
OR #0000 1100 0000 0000b ；设置定时器T3、T4的比较输出引脚为基本功能
SACL MCRC
LACL PADATDIR
OR #1111 1111 xxxx xxxxb ；设置引脚IOPA0-IOPA7数据方向为输出方式，x表示在IOPA0-IOPA7引脚应输出的数据
SACL PADATDIR
LACL PCDATDIR
OR #1111 0000 xxxx 0000b ；设置引脚IOPC4-IOPC7数据方向为输出方式，x表示在IOPC4-IOPC7引脚应输出的数据
SACL PCDATDIR
LACL PDDATDIR
OR #0000 0000 0000 000xb ；设置引脚IOPD0数据方向为输入方式,x 表示该引脚的读入的状态

SACL PDDATDIR

（2）定时器初始化程序

　　由于片内各定时器的控制寄存器的设置方式相同，只是对应的寄存器的值不同，这里仅以定时器T1设计为例。

LDP #DP_EVA

SPLK #0000 0001 1100 0110b，GPTCONA ；置定时器T1的比较中断标志来启动模数转换,定时器T1的比较输出引脚的输出极性为高有效

SPLK #0001 0000 0000 0110b，T1CON ；定时器T1为连续增计数模式,预分频系数为1，使用内部时钟定时器T1比较使能定时器T1未使能

SPLK #28H，T1PR ；内部时钟设为40M，定时器T1的周期为1μs

SPLK #1EH，T1CMPR ；脉冲FR的占空比为1：3

SPLK #00H，T1CNT ；置定时器T1的计数寄存器的值为0.

（3） ADC模数转换器初始化程序：

LDP #DP_PF2

SPLK #0000 0000 0000 0000b ，ADCTRL1 ；设置ADC控制寄存器

SPLK #0400H ，ADCTRL2

SPLK #0000H ，MAXCONV ；置最大转换通道数为1

SPLK #0000H ，CHESELSEQ1 ；置转换通道顺序：通道0为第一个转换开始的通道

SPLK #0000H ，CHESELSEQ2

5 结束语

　　本文围绕对数据处理的过程介绍了DSP在线阵CCD测量系统中的应用。系统工作过程包括光信号采集，模数转换，DSP处理和显示等几个部分。由于DSP具有丰富的在片资源，这使得DSP在线阵CCD测量系统中的硬件设计颇为简单，同时DSP的运算功能强大的特点及良好的实时性，使得其在对数据处理方面游刃有余。DSP技术必将在CCD技术系统中得到广泛的应用

参考文献
[1] 蔡文贵，李永远，许振华，CCD技术及应用。北京，电子工业出版社，1992。
[2] 王庆有，孙学珠，CCD应用技术。天津，天津大学出版社，1993。
[3] 刘和平等，TMS320LF240X DSP的结构、原理及应用。北京，北京航空航天大学出版社，2002。
[4] 李为民，邢晓正，戴礼荣，胡红专，DSP技术在线阵CCD测量系统中的应用。
仪器仪表学报，2002，（2）：183-185。
[5] 徐大成，翁桂荣，线阵CCD数据的高速采集系统。传感器技术，2002，（9）：
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[6] TI公司，CC2000 Help Document.
[7] TI公司，TMS320LF2407 DSP Datasheet
[8] TI公司，TMS320C24x DSP Controllers Reference Set
[9] TI公司，TMS320LF/LC240xA DSP Controllers System and Periphrals Reference.