基于單片機的線陣CCD實時檢測系統的開發

線陣ccd實時檢測系統模型

為了說明線陣ccd實時檢測系統的基本模型，現以機器人路徑識別為例，來具體說明如何利用線陣ccd開發實時動態環境檢測系統。假設在一個深色(如黑色、藍、綠等)平面上用寬度為30mm的白線作為機器人將要運動的軌跡導引線，利用線陣ccd開發出檢測白線軌跡的檢測系統。先利用光學系統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器人的視覺，讓機器人在上位機的控制下沿白線軌跡運動。這是一個典型的ccd實時檢測系統。整體檢測系統如圖1所示。

硬件設計

利用ccd的光電特性設計出的電路應能判別視頻信號上輸出的深色和白色區別，這樣才能識別白線，同時實時反應機器人當前所在的物理位置，以便對其運動做相應的調整。線陣ccd選用nec公司的μpd3575d芯片。該芯片為20腳dip封裝，像敏單元數目為1024，像敏單元大小為14μm×14μm×14μm(相鄰像元中心距離為14μm)，光敏區域采用高靈敏度和低暗電流pn結作為光敏單元，內置采樣保持電路和輸出放大電路，其外觀尺寸大小為25.5 mm×10 mm，易于裝卸。該器件可工作在5v驅動(脈沖)、12 v電源條件下。

該系統的簡要電路如圖2所示。驅動用的單片機是at89c2051，該芯片是atmel公司生產的自帶2kb可編程flash存儲器的可與msc-51兼容的高性能處理器。它與常規的51單片機芯片有相同的核心和相近的結構功能(如ram、定時／記數器、中斷結構、串行口、振蕩器和時鐘電路等)；有最高達24mhz的振蕩頻率，能高速地驅動ccd；有較少的精簡i／o端口，因此體積很小，非常適用做小型應用系統的處理器。對很多嵌入式控制應用提供了一個高度靈活的有效解決方案。本線陣ccd檢測系統發揮了其小而靈活的特點，既陡系統資源得到了充分的應用又讓系統結陶精簡緊奏，電路中二值化部分的電位器r_t用來調整二值化比較電平的閥值(0～5 v)，通過它涮節整個ccd的灰度分辨率。同時整個系統對外接口十分簡單，只需接上電源和兩條通向上位機的信號線。上位機只需等待同步信號fc和檢測脈沖信號bin_out到來的中斷信號，與at89c2051相互獨立，彼此之間沒有任何時鐘信號或復用關系。因此實際運用中器件互換性較強。既可選用普通的at89c51進行一定的端口擴展接收fc和bin_out，也可選用中斷能力較強的soc芯片c8051fxx系列等。整個檢測系統具有良好的柔性，最終電路體積可控制在手掌心大小之內。

信號時序及軟件設計

由于硬件設計時考慮的是用軟件產生ccd驅動信號，這樣，軟件設計的最大難點就是，既要滿足ccd芯片的驅動信號要求，又要完成檢測信息的完整表述。事實上，nec公司的線陣器件μpd3575d所需的驅動信號與toshiba公司傳統的tcd系列器件略有差異，具體驅動信號(包括時鐘φio、轉移脈沖φtg、復位時鐘φro和采樣保持時鐘φsho)的時序關系如圖3所示。