基于虛擬儀器和藍(lán)牙技術(shù)的線(xiàn)陣CCD圖像采集系統(tǒng)

許林林，汪　濤（重慶大學(xué)　物理學(xué)院，重慶　401331）

基于虛擬儀器和藍(lán)牙技術(shù)的線(xiàn)陣CCD圖像采集系統(tǒng)

許林林，汪濤
（重慶大學(xué)物理學(xué)院，重慶401331）

采用ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列主控芯片，該系列芯片能夠產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)陣CCD的時(shí)序信號(hào)，通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用虛擬儀器編程軟件LabVIEW進(jìn)行上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)，從而能夠完整地做出所要求的一個(gè)線(xiàn)陣CCD圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)方式采集，軟件界面的開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短，操作性強(qiáng)。

STM32；線(xiàn)陣CCD；藍(lán)牙技術(shù)；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集

0　引言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方式基本上是以有線(xiàn)的方式連接，線(xiàn)多且亂，有時(shí)會(huì)造成不必要的損失，而且使用大多基于C或C++的軟件界面，操作起來(lái)不易，開(kāi)發(fā)時(shí)間比較長(zhǎng)，功能上不能往外擴(kuò)展。電荷耦合器件（Charge Couple Device，CCD）［1］已經(jīng)在非接觸測(cè)量領(lǐng)域和傳感領(lǐng)域得到了應(yīng)用，這種器件從20世紀(jì)60年代發(fā)展而來(lái)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如精度高、功耗低、尺寸小，壽命長(zhǎng)等。在某一個(gè)有關(guān)于CCD的系統(tǒng)中，CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求是很重要的，影響著CCD的信噪比等特性，而像EPROM驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)、IC驅(qū)動(dòng)以及PLD驅(qū)動(dòng)存在著很多缺點(diǎn)，比如調(diào)試?yán)щy、邏輯設(shè)計(jì)復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)頻率低［2］，所以CCD驅(qū)動(dòng)是所要考慮的。上述的這些問(wèn)題是該系統(tǒng)所要解決的主要問(wèn)題，也正是因?yàn)檫@些問(wèn)題的要求，才設(shè)計(jì)出了這樣的一個(gè)系統(tǒng)。

根據(jù)上述所提出的問(wèn)題，采用藍(lán)牙技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如功耗低、成本低、傳輸速率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高、使用便捷，關(guān)鍵是目前智能手機(jī)也都自帶藍(lán)牙功能。而其他的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，比如WIFI，雖然傳輸速率高，但是安全性不夠；ZigBee技術(shù)耗能低、低成本但傳輸速率不高［3］。所以綜合以上考慮，使用藍(lán)牙適配器作為無(wú)線(xiàn)傳輸方式。

CCD驅(qū)動(dòng)方面繼承了實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的ARM芯片，該芯片不止作為驅(qū)動(dòng)芯片，也是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，承擔(dān)著核心的作用，此芯片是ST公司生產(chǎn)的STM32F103系列，選用它主要因?yàn)槠洚a(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序穩(wěn)定、精確。對(duì)于界面開(kāi)發(fā)，選用了LabVIEW作為編程開(kāi)發(fā)軟件，它是虛擬儀器的軟件開(kāi)發(fā)工具，虛擬儀器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)比較成熟，而且它是一種圖形化編程語(yǔ)言，是未來(lái)編程語(yǔ)言的發(fā)展趨勢(shì)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，關(guān)鍵是強(qiáng)大的擴(kuò)展功能是所需要的。

1　整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由ARM處理器STM32F103、電平轉(zhuǎn)換、線(xiàn)陣CCD、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換及藍(lán)牙傳輸模塊等組成。此圖像采集系統(tǒng)的基本工作步驟是：首先微處理器芯片產(chǎn)生CCD所需要的4種驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，使CCD能夠正常工作，然后CCD的光敏單元部分采集到光信號(hào)，并且輸出的是模擬信號(hào)，為了得到數(shù)字信號(hào)，必須經(jīng)過(guò)放大處理然后輸入到A/D轉(zhuǎn)換當(dāng)中，微處理器讀取數(shù)字信號(hào)結(jié)果并且存入到自己的存儲(chǔ)器當(dāng)中，當(dāng)這樣一幀數(shù)據(jù)接收完成之后，經(jīng)過(guò)串口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)當(dāng)中處理［4］。系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框架

2　系統(tǒng)硬件組成

2.1藍(lán)牙模塊的選擇

采集模塊選用的是藍(lán)牙模塊HC05，這個(gè)模塊是實(shí)驗(yàn)室經(jīng)常使用的，在資料和調(diào)試上是非常成熟的。這塊藍(lán)牙器件的數(shù)據(jù)傳輸率范圍極廣，基本上在4 800b/s～1 382 400b/s之間，電壓精度要求不高，一般的單片機(jī)系統(tǒng)電壓是可以兼容的，此款藍(lán)牙可以與電腦、手機(jī)等智能終端配對(duì)。表1展示了所使用的藍(lán)牙部分參數(shù)。

表1　藍(lán)牙基本特性

2.2微處理器的選擇

根據(jù)系統(tǒng)的需要，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的控制，對(duì)于采集信號(hào)的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，與上位機(jī)之間的通信以及藍(lán)牙適配器的連接，對(duì)于傳感器CCD的驅(qū)動(dòng)控制，選擇了由ST（意法半導(dǎo)體）公司出產(chǎn)的一款A(yù)RMv7-M架構(gòu)的32位微處理器。它的內(nèi)核是Cortex-M3，該處理器非常高效，功耗低，實(shí)時(shí)性能好，而且價(jià)格便宜。根據(jù)提供的數(shù)據(jù)資料可以知道該款微處理器最大的工作時(shí)鐘頻率達(dá)到了72MHz，滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。它具有128KB閃存，20KB靜態(tài)RAM，滿(mǎn)足圖像采集系統(tǒng)的要求。它具有基本的32位Thumb-2指令集架構(gòu)。此器件在整個(gè)的設(shè)計(jì)上解決了很多的問(wèn)題。

2.3線(xiàn)陣CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在CCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上，選擇了經(jīng)常使用的TCD1206SUP，該CCD傳感器價(jià)格上比較便宜而且滿(mǎn)足要求。此器件的驅(qū)動(dòng)電壓脈沖是兩相5V，有效像元數(shù)為2 160個(gè)，滿(mǎn)足了實(shí)際需求，每一行的輸出像元是2 236個(gè)。根據(jù)數(shù)據(jù)每一個(gè)是14μm×14μm，有效總長(zhǎng)度為30.24mm。

此款CCD器件TCD1206SUP需要4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由上述微處理器STM32F103系列來(lái)產(chǎn)生滿(mǎn)足需求的時(shí)序，包括：兩相電荷轉(zhuǎn)移脈沖、復(fù)位的脈沖RS以及所要的光積分脈沖SH。圖2是波形圖。

圖2　CCD驅(qū)動(dòng)波形

由圖2可以解讀出當(dāng)在SH下降沿時(shí)，φ1、φ2各自保持為高低電平交替存在，當(dāng)光積分脈沖是處在高電平期間時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖φ1是高電平，φ2是低電平狀態(tài)的。這樣的驅(qū)動(dòng)時(shí)序是為了保證在光敏區(qū)間的采集信號(hào)能夠完完全全地轉(zhuǎn)移到CCD這樣一個(gè)模擬移位寄存器當(dāng)中，這是關(guān)鍵所在。但是在控制SH的電平時(shí)間上一定要把握住其時(shí)間上的要求，因?yàn)槿绻鸖H的高電平時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的話(huà)，那么信號(hào)轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器里的信號(hào)將不僅是有效信號(hào)，而且還有少量的噪聲信號(hào)［5］，這將嚴(yán)重影響有效信號(hào)的獲取。實(shí)際上噪聲信號(hào)的多少主要取決于所設(shè)置的這個(gè)SH在高電平上的時(shí)間長(zhǎng)短［6］。通過(guò)以上來(lái)看，時(shí)間長(zhǎng)短是必須注意的地方。

2.4A/D轉(zhuǎn)換

其實(shí)在STM32F103系列處理器的內(nèi)部是有A/D轉(zhuǎn)換模塊的，但是由于CCD驅(qū)動(dòng)頻率為1MHz、500kHz、250kHz，當(dāng)微處理器工作頻率達(dá)到72MHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換速度卻達(dá)不到1MHz，所以需要一個(gè)外部的A/D芯片。經(jīng)過(guò)提供的數(shù)據(jù)資料分析，采用了AD9945信號(hào)處理器。采用AD9945的原因是其采用了40MHz單通道架構(gòu)，設(shè)計(jì)主要是為了用于采樣、調(diào)節(jié)交錯(cuò)和對(duì)逐行掃描區(qū)域CCD陣列的輸出。它的內(nèi)部寄存器部分使用的是串行接口。AD9945的組成部分包括：CDS（相關(guān)雙采樣）、VGA（數(shù)字控制增益放大器）、ADC（12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器）以及黑色電平鉗位電路［7］。它是由3V電源供電，功耗典型值大約為140mW，封裝形式是采用32引腳的LFCSP。

3　硬件系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

TCD1206SUP的SH、φ1、φ1和RS這些驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)分別是由微處理器STM32F103的TIM1_Channel1、TIM2_Channel1、TIM2_Channel2和TIM3_Channel1這些定時(shí)器通道產(chǎn)生的，其中高級(jí)定時(shí)器TIM1在PWM_1模式工作，而通用定時(shí)器TIM2在翻轉(zhuǎn)模式工作，通用定時(shí)器TIM3工作在PWM模式。把TIM2的翻轉(zhuǎn)頻率設(shè)置為0.5MHz，TIM2_Channel1和TIM2_Channel2的輸出極性相反，TIM3的工作頻率為1MHz。

圖3　部分LabVIEW程序

TCD1206SUP會(huì)在φ1、φ2的下降沿輸出信號(hào)，它是雙通道的，TIM2_Channel1輸出信號(hào)的下降沿以及TIM2_Channel2的下降沿應(yīng)該與TIM3輸出信號(hào)的下降沿對(duì)齊，這樣才能夠有效、及時(shí)地釋放出采集信號(hào)。在工作模式上將TIM1設(shè)置為主工作模式，而TIM2設(shè)置為從工作模式。TIM2的門(mén)控信號(hào)是TIM1的OCxRef，這是一個(gè)輸出信號(hào)，TIM1的輸出為低電平，參考輸出為高電平；否則輸出為高電平，參考輸出為低電平。這些工作條件是TIM1定時(shí)器的計(jì)數(shù)值小于它的計(jì)數(shù)器預(yù)裝載值。當(dāng)定時(shí)器TIM1為高電平的參考電平時(shí)，TIM2處在正常工作狀態(tài)，反之，在前者處于低電平工作狀態(tài)時(shí)，后者將處于停止工作狀態(tài)，此時(shí)TIM1_Channel1通道將會(huì)輸出高電平狀態(tài)，所以應(yīng)該始終使TIM2_Channel1的輸出電平為高電平。這一點(diǎn)是關(guān)注的重點(diǎn)部分，是整個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)序的關(guān)鍵，所以一定要控制好這兩個(gè)定時(shí)器在周期上始終是匹配的。

4　上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

上下位機(jī)的配對(duì)主要以主從的形式進(jìn)行。在下位機(jī)部分主要是用藍(lán)牙模塊，使用它作為系統(tǒng)的從機(jī)部分，在通過(guò)上電之后，與MCU通信，同一時(shí)間上，還要等待和允許主機(jī)對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行搜索。在上位機(jī)接口部分，所要求的程序由LabVIEW軟件編寫(xiě)。在軟件部分，接口所需要的程序由LabVIEW圖形化軟件編寫(xiě)。作為主機(jī)部分，上位機(jī)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行全面的搜索、搜索服務(wù)、建立連接、傳輸數(shù)據(jù)［8］。部分LabVIEW程序框圖如圖3所示。

5　結(jié)論

本文主要介紹了一種基于LabVIEW虛擬儀器機(jī)藍(lán)牙技術(shù)的CCD圖像采集系統(tǒng)。此系統(tǒng)解決了許多復(fù)雜的采集問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)圖像采集?；贚abVIEW圖形化編程系統(tǒng)在應(yīng)用上有很大的靈活性，后續(xù)功能升級(jí)方面的空間比較大。事實(shí)上，這個(gè)系統(tǒng)還可以作為其他系統(tǒng)來(lái)使用，例如光譜分析時(shí)就可以使用。

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A linear CCD image capture system based on virtual instrument and Bluetooth technology

Xu Linlin，Wang Tao
（College of Physics，Chongqing University，Chongqing 401331，China）

This text takes STM32F103 as the main control chip.It uses this chip to produce the timing drive of linear CCD.Also，it translates data via bluetooth technology.And it uses the virtual instrument programming software LabVIEW to develop the program on upper computer.In the end，it realizes a linear CCD image capture system，which can realize Bluetooth wireless data gathering，shorten development time and operate strongly in the software interface.

STM32；linear CCD；Bluetooth technology；LabVIEW；data acquisition

TP216

A

1674-7720（2015）10-0089-03

2014-09-28）

許林林（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集處理。