一種基于線性ccd的信號采集和自動曝光電路及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路及其方法,屬于光電技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]TSL1401CL為一款線性(XD,其核心是128個光電二極管組成的感光陣列,陣列后面有一排積分電容,光電二極管在光能量沖擊下產(chǎn)生光電流,構(gòu)成有源積分電路,那么積分電容就是用來存儲光能轉(zhuǎn)化后的電荷。積分電容存儲的電荷越多,說明前方對應(yīng)的那個感光二極管采集的光強越大。反映在像素點上就是,像素灰度低。光強接近飽和,像素點灰度趨近于全白,則呈白電平,輸出電壓值越大。前18個時鐘周期是像素復(fù)位時間,不進行積分與曝光,第19個CLK到下一個SI為曝光時間,因此在線性CCD的操作過程中,SI信號相當(dāng)于一個標(biāo)志,當(dāng)它變?yōu)楦唠娖胶?,就可以在每個CLK信號高電平到來后進行數(shù)據(jù)的采樣,采樣數(shù)據(jù)的曝光時間是由前一次第19個CLK到本次SI高電平出現(xiàn)的時間確定的。光線越強,積分電容存儲的電荷速度越快,進行曝光的周期就該越短,光線越弱,積分電容存儲的電荷速度越慢,進行曝光的周期就該越長。
[0003]目前的線性CXD曝光時間調(diào)整及數(shù)據(jù)采集方法,主要有以下兩種:
1、微處理器通過A/D轉(zhuǎn)換直接采集CCD輸出的模擬電壓數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息,微處理器通過數(shù)據(jù)分析,調(diào)整兩次SI之間的時間間隔,該方法主要采用微處理器軟件來分析數(shù)據(jù),CPU程序復(fù)雜,數(shù)據(jù)采集速度較慢,環(huán)境適應(yīng)能力差;
2、采用硬件電路二值化黑白像素點電壓,但CCD的128個像素點閾值參考電壓是相同的,導(dǎo)致CCD兩邊對應(yīng)像素點出現(xiàn)誤判。
[0004]有鑒于此,本發(fā)明人對此進行研宄,專門開發(fā)出一種基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路及其方法,本案由此產(chǎn)生。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路及其方法,不需要A/D轉(zhuǎn)換,可以在一定光強范圍內(nèi)都能自動調(diào)整CCD的曝光時間,適應(yīng)性強。
[0006]為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的解決方案是:
一種基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路,包括微處理器,通過微處理器SPI接口、I/O接口與微處理器相連的CXD信號采集與變換單元,線性CXD通過其接口分別與微處理器SPI接口和CXD信號采集與變換單元相連,其中,所述CXD信號采集與變換單元包括比較觸發(fā)模塊,以及與比較觸發(fā)模塊相連的CCD輸出電壓放大模塊和動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊。
[0007]作為優(yōu)選,所述CCD輸出電壓放大模塊包括放大器,與放大器相連的滑動變阻器,所述放大器的同向輸入端通過一電阻與線性CCD的電壓輸出端相連,放大器的輸出端與比較觸發(fā)模塊的第一比較器、第二比較器相連,通過改變第一滑動變阻器的阻值大小調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)。
[0008]作為優(yōu)選,所述動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊包括計數(shù)器,通過與門與計數(shù)器相連的P型MOS管、N型MOS管,以及與P型MOS管、N型MOS管相連的跟隨器,其中,P型MOS管與第三滑動變阻器相連,N型MOS管與第四滑動變阻器相連,跟隨器的輸出端先串聯(lián)一個電阻,再并聯(lián)一個充電電容后與第一比較器輸入端相連。
[0009]作為優(yōu)選,所述比較觸發(fā)模塊包括并聯(lián)在放大器輸出端的第一比較器、第二比較器,以及與第二比較器輸出端相連的觸發(fā)器,所述第二比較器的同向輸入端與第二滑動變阻器相連,第一比較器和觸發(fā)器的輸出端與微處理器的SPI接口相連。
[0010]作為優(yōu)選,所述觸發(fā)器采用型號為74HC74的觸發(fā)器。
[0011]一種基于線性CXD的信號采集和自動曝光方法,包括如下步驟:
O首先將微處理器的SPI接口工作在主模式下,設(shè)置工作頻率CLK為400KHZ,同時將CLK作為線性CCD的工作時鐘,設(shè)置微處理器的定時器,使定時時間(即曝光時間)初始值設(shè)為5毫秒,作為線性CCD曝光的初始值,每5毫秒產(chǎn)生定時中斷,使能SPI通過MOSI 口連續(xù)輸出16個字節(jié)數(shù)據(jù)(I個0x80,其余15個0x00,SI高電平啟動線性(XD),形成線性CXD需要的SI信號,同時將微處理器發(fā)出的MOSI信號和CLK信號分別作為線性CCD的啟動信號SI,CLK,啟動線性CCD工作;
2)線性CXD在CLK和SI的條件下,將輸出電壓通過一電阻輸送到放大器,通過第一滑動變阻器調(diào)整放大器的倍數(shù),并通過示波器觀察放大器的輸出電壓值,使中間像素點白點電平值接近4V,同時記錄中間和兩邊像素白點和黑點電壓平均值;
3)調(diào)整第三滑動變阻器和第四滑動變阻器的阻值,即調(diào)整兩個滑動變阻器的輸出電壓,進而通過組合場效應(yīng)管控制P型MOS管、N型MOS管的導(dǎo)通和/或截止,充電電容充放電輸出動態(tài)的閾值參考電壓VREF ;
4)調(diào)整第二滑動變阻器,分壓輸出電壓值VMAX,使VMAX=4V;
5)線性(XD的輸出電壓值經(jīng)過放大器放大后進入兩個比較器,與動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊輸出的電壓值VREF比較,輸出代表線性CXD前方像素點黑白的值MIS0,當(dāng)MIS0=1,說明此像素點為白,否則為黑,隨著MOSI的第一個高電平輸出之后,連續(xù)128個CLK時鐘的MISO輸入就是代表CCD前方128個黑白像素點的值;與VMAX比較輸出的值連接觸發(fā)器的置位端,MOSI控制觸發(fā)器的復(fù)位端,在MOSI信號輸出第一個高電平信號時,觸發(fā)器復(fù)位輸出信號OVER為低電平,一旦在1-128個CLK之間放大器輸出的電壓值只要有一次大于VMAX,使觸發(fā)器置位,輸出信號OVER會一直保持高電平,直到下次MOSI信號的高電平來臨;
6)每當(dāng)定時器產(chǎn)生中斷,微處理器將根據(jù)OVER信號的值判斷曝光是否過度,曝光時間(大約兩次SI信號之間的時間間隔)即為定時時間,如果0VER=1,則曝光時間過長,改變定時參數(shù),縮短定時時間,減少曝光時間;否則認為曝光時間不夠,加長定時時間,如此反復(fù)調(diào)整,保證線性CXD的輸出電壓經(jīng)過放大后最大保持在4V左右。
[0012]本發(fā)明所述的基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路及其方法在一定光強范圍內(nèi)都能自動調(diào)整CCD的曝光時間,既能保證光強時,白像素點輸出電壓不飽和,又能保證光弱時,像素點輸出電壓不太低,基本能保證在不同的光線下,黑白像素點對應(yīng)的輸出電壓保持在一定的動態(tài)范圍內(nèi),并可以采用動態(tài)的閾值參考電壓來分辨黑白像素點,動態(tài)閾值參考電壓的特點是:對應(yīng)CCD前方128個像素點的閾值參考電壓呈現(xiàn)出弧線狀,中間高,兩邊低,這個特點與線性CCD自身的特點想吻合,同樣的環(huán)境下,兩邊的光電管電路輸出電壓低,動態(tài)閾值參考電壓可以很好地避免兩邊像素點的誤判,此外,所述曝光方法適應(yīng)能力強,而且不使用A/D轉(zhuǎn)換,不需要專門的時序驅(qū)動產(chǎn)生電路,SPI工作在主模式下,同時發(fā)出啟動信號和接收像素信息,既提供了線性CCD需要的啟動信號CLK,SI,同時也采集了 CCD前方128個像素點的信息,節(jié)省了 CPU資源,軟件編程更簡單,既能夠在實驗室日光燈環(huán)境也可在體育館強光照射下正常曝光。
[0013]以下結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細描述。
【附圖說明】
[0014]圖1為本實施例的基于線性CCD的信號采集和自動曝光電路原理框圖;
圖2為本實施例的CCD信號采集與變換單元原理框圖;
圖3為本實施例的CCD輸出電壓放大模塊和比較觸發(fā)模塊電路圖;
圖4為本實施例的動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊電路圖。
【具體實施方式】
[0015]如圖1-2所示,一種基于線性CXD的信號采集和自動曝光電路,包括微處理器1,通過微處理器SPI接口、I/O接口與微處理器I相連的CXD信號采集與變換單元2,線性(XD3通過其接口分別與微處理器SPI接口和CCD信號采集與變換單元2相連,其中,所述CCD信號采集與變換單元2包括比較觸發(fā)模塊22,以及與比較觸發(fā)模塊22相連的CCD輸出電壓放大模塊21和動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊23。
[0016]如圖3-4所不,所述(XD輸出電壓放大模塊21包括放大器U2,與放大器U2相連的滑動變阻器RV1,所述放大器U2的同向輸入端通過一電阻Rl與線性CCD3的電壓輸出端(A0端)相連,放大器U2的輸出端與比較觸發(fā)模塊22的第一比較器U6、第二比較器相U7連,通過改變第一滑動變阻器RVl的阻值大小調(diào)節(jié)放大器U2的放大倍數(shù)。所述動態(tài)閾值產(chǎn)生模塊23包括計數(shù)器Ul,通過與門U5與計數(shù)器Ul相連的P型MOS管Q2、N型MOS管Ql,以及與P型MOS管Q2、N型MOS管Ql相連的跟隨器U3,其中,P型MOS管Q2與第三滑動變阻器RV3相連,N型MOS管Ql與第四滑動變阻器RV4相連,跟隨器U3的輸出端先串聯(lián)一個電阻R9,再并聯(lián)一個充電電容Cl后與第一比較器U6輸入端相連。所述比較觸發(fā)模塊22包括并聯(lián)在放大器U2輸出端的第一比較