基于80C196KB的線陣CCD高速采集系統

1引言
電荷耦合器件(CCD)具有自掃描、光電靈敏度高和幾何尺寸精確等一系列優點，因此在光電非接觸測量中得到了廣泛應用。它能將光強分布的空間信息轉換為電信號序列信息，當它對空間光強分布一次采樣后、以電信號形式串行輸出。為了保證信號質量，在每個像素上光信號積分時間有嚴格限制，一般要求串行傳送速率為幾千到幾兆赫茲。而在工業測量系統中，廣泛使用的單片機指令速度相對較慢。對于80C196KB單片機，若外部時鐘為12MHz，內部二分頻后為 6MHz，多數指令執行周期都超過了1us，線陣TCD1208AP信號輸出典型頻率為1MHz。因而會由于采集速度過快，CPU速度跟不上而出現數據的丟失或混疊，所以必須設計高速數據采集系統。
為解決慢速CPU和高速數據采集的矛盾，我們采用DMA(Direct Memory Access)方式實現對線陣TCD1208AP輸出數據的采集，當采集結束，CPU再從存儲器讀取數據。我們采用FIFO存儲器(First In First 0ut Memory)實現數據的DMA方式存儲，它有兩個端口(輸人口和輸出口)，并按先進先出的順序來暫時存放數據，無需地址發生器。輸人口和輸出口的工作彼此是獨立的，只要當前存放在FIFO中的數據少于FIF0的容量，就可以繼續向FIF0中寫入數據，當FIFO存滿數據時，它就會阻止繼續寫人數據。同樣，只要FIFO內部還存在數據，就可以繼續從中讀出數據，當FIFO中所有的數據被讀完時，就可以繼續寫入數據。本文采用的是IDT7204，容量為 4096字節。由于向其寫入一個數據的時間（12ns）遠小于A/D轉換時間，所以采集速度取決于A/D轉換的速度。

2 系統硬件設計
系統主要由單片機80C196KB、線陣CCD及驅動電路、A/D變換和DMA傳送電路組成，基本原理框圖如圖1所示：
2.1線陣TCD1208AP驅動信號的產生
線陣TCD1208AP是日本TOSHIBA公司生產的線陣CCD，它具有2160個像元，圖2是其驅動信號的時序圖：

圖2 TCD1208AP驅動信號時序圖

由時序圖可以看出，芯片正常工作需要四路驅動信號，即：轉移信號SH，其周期為光信號的積分時間tINT（INTEGRATION TIME）；復位信號RS，時鐘頻率標準值為1MHz；兩相移位時鐘信號Φ1、Φ2，時鐘頻率為0.5MHz。TCD1208AP有2160個像素單元，正常工作時要有52個虛設單元輸出（DUMMY OUTPUTS）信號。因為該器件是兩列并行傳輸，所以在一個周期內至少要有1106（2212/2=1106）個Φ1脈沖，即TSH> 1106TΦ1。由時序圖可以看出，當SH信號高電平期間，CCD積累的信號電荷包通過轉移柵進入移位寄存器，移位脈沖Φ1、Φ2要求保持一個高和低的電平狀態。