摘  要： 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)線陣CCD的時(shí)序信號(hào)，通過藍(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)軟件開發(fā)，從而能夠完整地做出所要求的一個(gè)線陣CCD圖像采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)方式采集，軟件界面的開發(fā)時(shí)間縮短，操作性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞： STM32；線陣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的方式連接，線多且亂，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，操作起來不易，開發(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，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。上述的這些問題是該系統(tǒng)所要解決的主要問題，也正是因?yàn)檫@些問題的要求，才設(shè)計(jì)出了這樣的一個(gè)系統(tǒng)。

　　根據(jù)上述所提出的問題，采用藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線數(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。而其他的無線技術(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)牙適配器作為無線傳輸方式。

　　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)于界面開發(fā)，選用了LabVIEW作為編程開發(fā)軟件，它是虛擬儀器的軟件開發(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。

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4 800 b/s～1 382 400 b/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)。

　　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72 MHz，滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。它具有128 KB閃存，20 KB靜態(tài)RAM，滿足圖像采集系統(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)上解決了很多的問題。

　　2.3 線陣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足要求。此器件的驅(qū)動(dòng)電壓脈沖是兩相5 V，有效像元數(shù)為2 160個(gè)，滿足了實(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14 m×14 m，有效總長(zhǎng)度為30.24 mm。

　　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系列來產(chǎn)生滿足需求的時(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。

　　由圖2可以解讀出當(dāng)在SH下降沿時(shí)，、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)脈沖是高電平，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)間過長(zhǎng)的話，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]。通過以上來看，時(shí)間長(zhǎng)短是必須注意的地方。

　　2.4 A/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1 MHz、500 kHz、250 kHz，當(dāng)微處理器工作頻率達(dá)到72 MHz時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換速度卻達(dá)不到1 MHz，所以需要一個(gè)外部的A/D芯片。經(jīng)過提供的數(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40 MHz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3 V電源供電，功耗典型值大約為140 mW，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、、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  0.5 MHz，TIM2_Channel1和TIM2_Channel2的輸出極性相反，TIM3的工作頻率為1 MHz。

　　TCD1206SUP會(huì)在的下降沿輸出信號(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。在軟件部分，接口所需要的程序由LabVIEW圖形化軟件編寫。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)雜的采集問題，實(shí)現(xiàn)了無線藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)圖像采集。基于LabVIEW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)來使用，例如光譜分析時(shí)就可以使用。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津：天津大學(xué)出版社，2000.

　　[2] 周根榮，姜平.一種基于高速超微型單片機(jī)的CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32（3），105-107.

　　[3] 劉書生，趙海.藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社，2001.

　　[4] 趙凱生，劉爽，龍?jiān)俅ǎ?基于ARM的線陣CCD測(cè)量系統(tǒng)分析[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2006，21（1）：31-34.

　　[5] 許秀貞，李自田，薛利軍.CCD噪聲分析及處理技術(shù)[J].紅外與激光工程，2004，33（4）：343-346.

　　[6] 王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

　　[7] 王華偉，劉波，曹劍中.CCD信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7（16）：4153-4156.

　　[8] 侯國(guó)屏，王坤，葉齊鑫.LabVIEW7.1編程與虛擬儀器設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.