基于ＭＳＰ４３０Ｆ１４９的新型ＣＣＤ測距系統
2008-04-12 00:00:00吳少華
現代電子技術 2008年1期
摘 要：隨著CCD的應用領域越來越廣泛，傳統的CCD應用電路已經很難滿足需要了，為了簡化CCD外圍電路設計，提出了一種基于美國德州儀器(TI)公司的一種16位超低功耗單片機MSP430F149的新型CCD應用電路，簡單介紹了MSP430F149和TCD1702C的功能特點，詳細分析了該系統的電路組成部分和軟件的邏輯結構。該系統成功突破了傳統的CCD使用方法，簡化了外圍電路，目前已經應用在商業領域。
關鍵詞：MSP430F149;CCD;TCD1702C;測距系統
中圖分類號：TP302.1 文獻標識碼：B
文章編號：1004373X(2008)0111803
A New Distance Measuring System of CCD on the Foundation of MSp430F149
WU Shaohua
(China Water Northeastern Investigation Design and Research Co.Ltd.，Changchun，130061，China)
Abstract：Along with the applied realm of the CCD more and more extensive，the traditional CCD application electric circuit has already can hardly meet the demands，design for the sake of simplification CCD outer circle electric circuit.Putting forward a new kind of CCD applied circuit based on American Texas Instrument Company 16 b MSP430F149.Introducing the function characteristics of MSP430F149 and TCD1702C in brief，analysing the logic structure of that part and software of the constitute of electric circuit in detail，simplified outer circle electric circuit，have alreadied apply in the business realm currently.
Keywords：MSP430F149;CCD;TCD1702C;distance measuring system
CCD(光電耦合器件)應用技術是光、機、電和計算機相結合的高新技術，他應用范圍非常廣泛，使用方法也非常多，但傳統CCD的脈沖的產生以及CCD輸出的光脈沖信號的處理非常復雜，CCD的驅動脈沖往往需要由可編程邏輯控制器產生，外圍電路很復雜，已經不適合在小型的測量系統中應用。在本系統中就成功突破了傳統的CCD的使用方法，從而使得系統的結構更加簡單，測量更準確，更方便。MSP430F149是美國德州儀器(TI)公司推出的一種16位超低功耗單片機，該單片機具有16位RISC結構，125 ns指令周期以及12位200 kb/s的A/D轉換器。我們充分利用了MSP430F149具有高速的指令周期和具有A/D轉換器的特點，通過一組MSP430F149的通用數字I/O引腳直接產生CCD所需的脈沖信號，同時把CCD所產生的光照調幅脈沖信號引入單片機的12位A/D轉換器模擬輸入通道，經過A/D轉換后的數字量就可以直接用來進行計算、分析等工作了。
1 系統結構
新型的CCD測距系統的光學系統結構框圖如圖1所示：位于凸透鏡焦平面上的激光器產生的光源經過凸透鏡后形成平行光，在凸透鏡和CCD間有兩根直徑大約12 mm的鋼絲，兩根鋼絲間的距離為本系統所要測量的物理量，平行光透過鋼絲均勻地照在CCD上，兩根鋼絲在CCD的光敏陣列面上就產生兩個與鋼絲等直徑的陰影，由于照在鋼絲上的光源是平行光，因此兩個陰影間的距離即為兩根鋼絲間的距離。
2 系統的硬件組成
系統的硬件框圖如圖2所示，電源部分分別產生3組電源即12 V，5 V，33 V，單片機采用美國TI公司的MSP430F149，CCD采用的是日本東芝公司生產的TCD1702C，與上位計算機進行通訊的芯片是美國MAXIM公司生產的MAX1480，MSP430F149采用的是33 V供電方式，而TCD1702C需要提供12 V的電壓，因此，MSP430F149的通用I/O引腳產生的脈沖需要通過非門74HC04提供給TCD1702C，整個電路外圍硬件很少，但功能卻很強大，結構非常簡單。
2.1 MSP430F149
雖然MSP430系列單片機推出時間不是很長，但由于其卓越的性能，在短短的幾年時間里發展極為迅速，應用也日趨廣泛。其主要特點有：
超低功耗[HTSS]
MSP430F149單片機的電源電壓采用18~36 V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅01 μA，活動模式耗電250 μA/MIPS(MIPS：每秒百萬條指令數)，I/O口輸入端口的漏電流最大僅50 nA。
強大的處理能力[HTSS]
MSP430F149單片機是16位單片機，采用了目前流行的、頗受學術界好評的精簡指令集(RTIS)結構，一個時鐘周期可以執行一條指令，使MSP430在8 MHz晶振工作時，指令速度可達8 MIPS。
高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊[HTSS]
MSP430F149單片機結合TI的高性能模擬技術，集成了較豐富的片內外設。組合有以下功能模塊：看門狗(WDT)，模擬比較器A，定時器A(Timer[CD#*2]A)，串口0，1(USART0，1)，硬件乘法器，定時器B(Timer[CD#*2]B)，10位12/14 ADC，10位12/14 DAC等。
2.2 TCD1702C
TCD1702C為7 500像元的線陣CCD，其像敏單元尺寸為7 μm長，7 μm高，中心距亦為7 μm，像敏區總長為525 mm。
TCD1702C為典型的雙溝道二相線陣CCD，他的有效像素單元(7 500像元)分奇、偶兩列轉移并分別由OS1和OS2端口輸出。他比普通的線陣CCD的驅動要復雜一些，多了一個CP脈沖——鉗位脈沖，該脈沖使輸出信號鉗制在零信號電平上。器件內部沒有設置采樣保持電路，OS1和OS2輸出的是光照調幅脈沖信號。他也具有片內電平轉換和驅動器，驅動脈沖幅度亦可用CMOS邏輯電路0～5 V，他的最高工作頻率可達20 MHz。TCD1702C的時序電路如圖3所示。
他的驅動由5路脈沖構成，轉移脈沖SH的作用是將存儲柵中光積分所得的光生電荷并行地分別轉移到光敏區兩側的模擬移位寄存器的Ф1電荷勢阱中。當SH脈沖結束時，SH為低電平，他使存儲柵和模擬移位寄存器分別工作。存儲柵進行光積分，模擬移位寄存器在驅動脈沖的作用下串行地向輸出端轉移信號電荷，最后由OS1，OS2端輸出，得到OS1，OS2信號。OS1和OS2幾乎是并行輸出的，OS1輸出奇數像元的信號，OS2輸出偶數像元的信號。
二路并行輸出的優點是：在一定的驅動頻率下，二路并行輸出的數據率是單路輸出的2倍，這在高速測量中是非常重要的。
3 系統的軟件設計
本系統的軟件采用C語言編寫，C語言既具有一般高級語言的特點，又能直接對單片機的硬件進行操作，表達和運算能力也非常強，許多以前只能采用匯編語言來解決的問題現在都可以改用C語言來實現了。IAR 嵌入式工作平臺 Embedded Workbench 為開發不同的MSP430目標處理器項目提供了強有力的開發環境，并為每一種目標處理器提供工具選擇。本系統的軟件全部在IAR Embedded Workbench 開發環境下進行編寫、調試。
本系統的軟件采用模塊化的方式設計，有利于以后的維護和升級。主要包括測量模塊、通訊模塊、顯示模塊等。系統采用中斷方式接收信號輸入，軟件流程如圖4所示。
系統初始化后，首先在數碼管上顯示系統的基本信息，此后系統一直處于主程序循環狀態，當查詢到有上位機的通訊命令后，調用通訊子程序，根據上位機的通訊命令作出是否進行測量或者回傳測量數據給上位機等。
本系統的系統初始化及測量軟件的部分程序如下:
4 結 語
本系統目前在水利行業的大壩安全監測中已經得到成功應用，該系統可加工成完全密封的結構，克服了傳統的機械式測量儀器不能防潮、防水的弱點，同時該系統具有測量精度高、測量速度快等優點，在水利以及其他行業的應用前景非常廣泛。
參 考 文 獻
［1］王慶有.CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社，2000.
［2］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用［M］.北京：清華大學出版社，2004.
作者簡介 吳少華 男，1972年出生，安全監測工程師。主要從事水利行業的大壩安全監測的儀器儀表開發、安全監測自動化系統集成等工作。
注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”
