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)動線陣CCD的時序信號,，通過藍牙技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，使用虛擬儀器編程軟件LabVIEW進行上位機軟件開發(fā),，從而能夠完整地做出所要求的一個線陣CCD圖像采集系統(tǒng),。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)藍牙無線數(shù)據(jù)方式采集，軟件界面的開發(fā)時間縮短,，操作性強,。

　　關(guān)鍵詞： STM32；線陣CCD,；藍牙技術(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,，有時會造成不必要的損失，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)時間比較長，功能上不能往外擴展。電荷耦合器件（Charge Couple Device,，CCD）[1]已經(jīng)在非接觸測量領(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,，比如精度高,、功耗低、尺寸小,，壽命長等,。在某一個有關(guān)于CCD的系統(tǒng)中，CCD的驅(qū)動時序要求是很重要的,，影響著CCD的信噪比等特性,，而像EPROM驅(qū)動、單片機驅(qū)動,、IC驅(qū)動以及PLD驅(qū)動存在著很多缺點,，比如調(diào)試困難、邏輯設(shè)計復(fù)雜,、驅(qū)動頻率低[2],，所以CCD驅(qū)動是所要考慮的。上述的這些問題是該系統(tǒng)所要解決的主要問題,，也正是因為這些問題的要求,，才設(shè)計出了這樣的一個系統(tǒng)。

　　根據(jù)上述所提出的問題,，采用藍牙技術(shù)來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸,，它具有很多優(yōu)點，如功耗低,、成本低,、傳輸速率高、穩(wěn)定性強,、安全性高,、使用便捷，關(guān)鍵是目前智能手機也都自帶藍牙功能,。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，使用藍牙適配器作為無線傳輸方式。

　　CCD驅(qū)動方面繼承了實驗室經(jīng)常使用的ARM芯片,，該芯片不止作為驅(qū)動芯片,，也是整個系統(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,，選用它主要因為其產(chǎn)生的驅(qū)動時序穩(wěn)定、精確,。對于界面開發(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,，虛擬儀器在國內(nèi)已經(jīng)比較成熟,，而且它是一種圖形化編程語言，是未來編程語言的發(fā)展趨勢,，具有很多優(yōu)點,，關(guān)鍵是強大的擴展功能是所需要的。

1 整體方案設(shè)計

　　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)動脈沖信號，使CCD能夠正常工作,，然后CCD的光敏單元部分采集到光信號,，并且輸出的是模擬信號，為了得到數(shù)字信號,，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)字信號結(jié)果并且存入到自己的存儲器當(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 藍牙模塊的選擇

　　采集模塊選用的是藍牙模塊HC05,，這個模塊是實驗室經(jīng)常使用的,，在資料和調(diào)試上是非常成熟的。這塊藍牙器件的數(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，一般的單片機系統(tǒng)電壓是可以兼容的,，此款藍牙可以與電腦,、手機等智能終端配對,。表1展示了所使用的藍牙部分參數(shù)。

　　2.2 微處理器的選擇

　　根據(jù)系統(tǒng)的需要,，整個測量系統(tǒng)的控制,，對于采集信號的調(diào)理和轉(zhuǎn)換，與上位機之間的通信以及藍牙適配器的連接,，對于傳感器CCD的驅(qū)動控制,，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，實時性能好,，而且價格便宜,。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鐘頻率達到了72 MHz，滿足系統(tǒng)的實時性要求,。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),。此器件在整個的設(shè)計上解決了很多的問題。

　　2.3 線陣CCD驅(qū)動設(shè)計

　　在CCD驅(qū)動設(shè)計上,，選擇了經(jīng)常使用的TCD1206SUP,，該CCD傳感器價格上比較便宜而且滿足要求。此器件的驅(qū)動電壓脈沖是兩相5 V,，有效像元數(shù)為2 160個,，滿足了實際需求，每一行的輸出像元是2 236個,。根據(jù)數(shù)據(jù)每一個是14 m×14 m,，有效總長度為30.24 mm。

　　此款CCD器件TCD1206SUP需要4路驅(qū)動信號,，由上述微處理器STM32F103系列來產(chǎn)生滿足需求的時序,，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，,、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，驅(qū)動脈沖是高電平,，是低電平狀態(tài)的,。這樣的驅(qū)動時序是為了保證在光敏區(qū)間的采集信號能夠完完全全地轉(zhuǎn)移到CCD這樣一個模擬移位寄存器當(dāng)中,，這是關(guān)鍵所在,。但是在控制SH的電平時間上一定要把握住其時間上的要求,，因為如果SH的高電平時間過長的話，那么信號轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器里的信號將不僅是有效信號,，而且還有少量的噪聲信號[5],，這將嚴重影響有效信號的獲取。實際上噪聲信號的多少主要取決于所設(shè)置的這個SH在高電平上的時間長短[6],。通過以上來看,，時間長短是必須注意的地方。

　　2.4 A/D轉(zhuǎn)換

　　其實在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)動頻率為1 MHz,、500 kHz、250 kHz,，當(dāng)微處理器工作頻率達到72 MHz時,，A/D轉(zhuǎn)換速度卻達不到1 MHz，所以需要一個外部的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)計主要是為了用于采樣,、調(diào)節(jié)交錯和對逐行掃描區(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

　　TCD1206SUP的SH,、、RS這些驅(qū)動時序信號分別是由微處理器STM32F103的TIM1_Channel1,、TIM2_Channel1,、TIM2_Channel2和TIM3_Channel1這些定時器通道產(chǎn)生的，其中高級定時器TIM1在PWM_1模式工作,，而通用定時器TIM2在翻轉(zhuǎn)模式工作,，通用定時器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會在的下降沿輸出信號，它是雙通道的,，TIM2_Channel1輸出信號的下降沿以及TIM2_Channel2的下降沿應(yīng)該與TIM3輸出信號的下降沿對齊,，這樣才能夠有效、及時地釋放出采集信號,。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的門控信號是TIM1的OCxRef,，這是一個輸出信號,，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定時器的計數(shù)值小于它的計數(shù)器預(yù)裝載值,。當(dāng)定時器TIM1為高電平的參考電平時,，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,，后者將處于停止工作狀態(tài)，此時TIM1_Channel1通道將會輸出高電平狀態(tài),，所以應(yīng)該始終使TIM2_Channel1的輸出電平為高電平,。這一點是關(guān)注的重點部分，是整個驅(qū)動時序的關(guān)鍵,，所以一定要控制好這兩個定時器在周期上始終是匹配的,。

4 上位機軟件開發(fā)

　　上下位機的配對主要以主從的形式進行。在下位機部分主要是用藍牙模塊,，使用它作為系統(tǒng)的從機部分,，在通過上電之后，與MCU通信,，同一時間上,，還要等待和允許主機對藍牙模塊進行搜索。在上位機接口部分,，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,。作為主機部分,，上位機對下位機進行全面的搜索、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虛擬儀器機藍牙技術(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,，實現(xiàn)了無線藍牙傳輸數(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)功能升級方面的空間比較大,。事實上,，這個系統(tǒng)還可以作為其他系統(tǒng)來使用，例如光譜分析時就可以使用,。

　　參考文獻

　　[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的CCD驅(qū)動電路設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2006,，32（3），105-107.

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

　　[4] 趙凱生，劉爽,，龍再川,，等.基于ARM的線陣CCD測量系統(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信號處理電路設(shè)計研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007,，7（16）：4153-4156.

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