基于线阵CCD的实验教学平台设计

基金项目：河北省教育厅高等学校教育改革研究与实践项目“面向产出导向的测控专业”思专创融“培养体系构建的研究与探索”（2021-GJJG-056）；河北省教育厅高等学校教育改革研究与实践项目“测控专业实践教学思政设计及评价体系建设”（2020-GJJG-522）

第一作者简介：万峰（1971-），男，汉族，吉林辽源人，博士，副教授，硕士研究生导师。研究方向为光电仪器。

*通信作者：肖艳军（1976-），男，汉族，河北沧州人，硕士，教授，硕士研究生导师，教育部仪器教指委协作委员，测控系主任。研究方向为新型感知与智能控制。

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2024.22.022

摘 要：在光电类课程的实验教学中，电荷耦合器件（CCD）是一个重要内容，传统的相关实验教学一般以演示性实验为主，导致学生对该器件的了解不够深入。该文提出一种适合各种线阵CCD的综合实验平台，采用该平台学生可以自主进行CCD驱动电路的设计实验、积分时间调节实验、角度测量实验和长度测量实验等。通过使用该平台，有助于提高学生的线阵CCD使用能力、单片机调试能力、基于LabVIEW的软件编程能力、电路板焊接能力和光路搭建能力。

关键词：电荷耦合器件；实验平台；驱动电路；实验教学；光电类课程

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中图分类号：TH741 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2024）22-0092-04

Abstract： Charge-coupled Device（CCD） is an important content in the experimental teaching of photoelectric courses， but the traditional experimental teaching is mainly based on demonstration experiment， which leads to students' lack of in-depth understanding of the device. In this paper， a comprehensive experimental platform suitable for all kinds of linear CCD is proposed. With this platform， students can independently carry out CCD driving circuit design experiment， integral time adjustment experiment， angle measurement experiment， length measurement experiment， etc. Through the use of this platform， it is helpful to improve students' ability of using linear CCD， debugging ability of single chip microcomputer， software programming ability based on LabVIEW， circuit board welding ability and ability of optical construction.

Keywords： Charge-coupled Device; experimental platform; drive circuit; experimental teaching; photoelectric course

电荷耦合器件（Charge-coupled Device，简称CCD）是光电类课程的课堂教学及课后实验的必修内容，虽然市面上的一些光电实验平台中有CCD的相关实验项目，但均以演示性实验为主，对外开放的部分太少，学生难以获得更多的实验机会，从而导致不能全面理解器件的功能及其典型应用。针对现有实验平台的不足，本文提出了一种线阵CCD综合实验平台[1-3]，通过使用该平台，学生可以掌握线阵CCD使用、表面贴元件焊接、单片机使用，初步掌握光路系统的搭建和调试，并在一定程度上掌握LabVIEW编程。

一 实验教学平台总体方案设计

如图1所示，综合实验平台由三部分组成：基于C8051F020的线阵CCD驱动电路、光学系统、基于LabVIEW的软件编程系统。每一个部分均能实现对学生不同能力的锻炼，基于C8051F020的线阵CCD驱动电路锻炼学生的CCD驱动电路设计能力和单片机调试能力；光学系统锻炼学生的光路搭建和调试能力；基于LabVIEW的软件编程系统能够锻炼学生的图形化编程能力[4-6]，从而使学生掌握不同的能力。下面分别对每一部分的功能进行详细的介绍。

（一） 基于C8051F020的线阵CCD驱动电路系统

线阵CCD必须在几路时序匹配的脉冲驱动下才能正常工作，因此产生脉冲是关键所在。本文采用单片机来产生方波脉冲，既能保证各路脉冲间的时间间隔，同时学生也能学习单片机的开发和使用。本文所选择的单片机为集成化单片机C8051F020，该单片机具有传统51单片机的内核，同时集成了RAM、AD等多种外设，学生可以统一学习使用。基于C8051F020的线阵CCD驱动电路系统包括：C8051F020的最小系统、电源供电电路、CCD驱动电路、信号输出处理电路（含数字电位器的可调增益）和通信电路等几个部分，如图1所示。

1 单片机C8051F020最小系统

单片机的最小工作系统是所有单片机教学的必修内容和学生必须掌握的内容。C8051F020单片机完全是51内核，指令系统完全兼容传统51的指令，可以开发汇编语言的程序和C程序，可以作为传统单片机的教学使用。最小系统包括以下几个部分：①开发环境。在这个环境中可以进行程序的调试，可以进行汇编语言和C语言的程序编程，学生可以使用这个环境进行程序的编写练习。②下载系统。下载系统将开发者进行调试完成的程序下载到计算机。③外围配置。单片机外围配有一个晶振，该单片机使用的电源是+3.3 V，因此需要一个电压转换的芯片AS1117。最小系统如图2所示，将单片机的各个引脚通过排针引出，然后通过杜邦线与其他被控元件的各个引脚相连接。在实验初期，向学生提供已经焊接完成的电路板，由学生通过插线完成器件连接。在实验后期，可以向学生提供相应的电路板和元件，由学生自己完成芯片的焊接。单片机是100脚的TQFP表面贴元件，三端稳压电源AS1117也是表面贴元件，可以锻炼学生在焊接表面贴元件方面的能力，提供相应的材料为焊锡、松香、电烙铁和吸锡带等，在教师演示后，由学生进行操作，然后由教师对焊接结果进行考核，检查是否有虚焊、管脚连接等问题，根据情况进行评判。

图1 实验平台总体框图

图2 单片机C8051F020最小系统图

2 线阵CCD驱动脉冲产生电路

线阵CCD必须在几路时序匹配的脉冲驱动下才能工作，这是该类器件与其他光电器件不同的地方，因此CCD驱动电路的设计是关键问题。常用线阵CCD，如TCD1200、TCD1201、TCD1205D和ILX511等均有相同的封装形式，为22脚的双列直插，但是每个CCD的各个引脚的功能不同。因此在电路板上放置一个22脚的空IC座，周围与排针相连，如图3所示。如果某个引脚需要与单片机的引脚相连接，可以通过杜邦线进行插线连接，这种方式可以保证连接的可靠性。学生在仔细阅读某种线阵CCD的说明书之后，进行连线，主要是单片机的引脚与CCD引脚之间的连线，然后再对CCD的其他引脚进行连线（包括电源、地等引脚）。学生连线完成后，教师可以进行检查和评判。电路连接完成后，编写相应的单片机驱动程序，由相应的软件和硬件配合完成CCD的驱动。

图3 基于C8051F020的CCD驱动电路图

3 线阵CCD输出信号处理电路

因为CCD的输出信号是一个浮置信号，是在一个正向信号上反向输出，因此为了提出有效的CCD信号，采用如图4所示的减法电路。该减法电路的公式为

，

USIGNALOUT=2×Vref-UCCDOUT 。

该电路是反相放大器加一个初始参考电压Vref，进行减法运算，正确地取出CCD的输出信号，然后将信号直接输入到C8051F020的AD转换输入端口，进行AD转换，转换的结果可以存储在单片机内部的存储器RAM中。在积分时间一定的前提下，考虑到有时积分时间过短导致信号太小，对后续的数据处理不利，所以在电路中增加了可编程电位器，从而可以改变放大倍数，平时电位器的阻值放在最低档，起到放大作用的是电阻Rf，它的阻值与外接电阻R1的阻值相等，就是大小不变取出信号。电位器的型号为AD5542，八脚的表面贴器件，外围的引脚通过杜邦线与单片机相连。可以通过改变电位器的值来改变放大倍数，从而实现可变增益。通过该部分的学习，学生可以搭建运放的反相放大电路，可以掌握反相放大电路的基本原理及使用和调试方法；同时可以在电路中接入数字电位器，实现放大倍数的调节。电路板上的所有元件均没有连线引出，每个引脚均和一个孔相连，这样可以用杜邦线对两个引脚之间进行连线，这部分工作完全由学生完成，可以使学生在充分了解元件的性能和每个元件引脚功能的前提下，最大限度地给与学生自由化，充分锻炼学生的能力。由于各种线阵CCD均为22脚DIP封装，因此可以在电路板上放置一个DIP22的插座，可以将不同类型的器件（不同类型的器件有不同的引脚定义和不同的驱动脉冲路数）插在上面，通过杜邦线连接，实现不同类型线阵CCD驱动电路的设计练习。

图4 线阵CCD输出信号处理电路图

（二） 光学系统设计

光学系统中的主要元件包括：光源、成像透镜、光具座和被测物体等。长度测量的光路系统结构如图5所示，此处光学的基本原理是物像位置关系和垂轴放大率，测量的基本原理是包括光学的基本成像特性，可以在此处进行光学成像的练习，同时可以实验一些光学公式。

从图5中可以看到，在理想像面上的黑暗部分的光强基本为零，因此该部分的输出信号为小信号，测出小信号的数量，然后乘以每个单元的长度，即可测出像的大小，然后再经过高斯公式的计算，就可以得到物体的真实尺寸。

利用线阵CCD测量物体倾斜角度的实质属于尺寸测量和类型。在如图6所示中的水平粗线代表线阵CCD的像敏单元阵列，假设被测物体的轴线与像元排列方向垂直，线阵CCD将测出它的直径宽度为D，当该物体旋转了角度α后，CCD测量出来的宽度值也发生变化，变为DS。

从如图6所示的测量原理图可以推导出被测物的倾斜角度α的计算公式为

α=arccos（■）。

通过上述两个实验，学生可以学习并掌握简单的光路搭建和调试。

（三） 基于LabVIEW的软件编程系统

LabVIEW软件是一种虚拟仪器软件，支持图形化编程，使用者能够快速地搭建测试平台。目前很多高校开设的虚拟仪器课程的实验部分都是使用LabVIEW进行讲授。软件的流程图如图7所示。

图5 基于线阵CCD的长度测量系统

图6 基于线阵CCD的角度测量系统

图7 LabVIEW程序后面板图

前面主要是串行通信部分，将接收到的数据进行处理，可以通过使用LabVIEW所给出的循环、顺序、选择等结构及数组的相关组件进行编程，并进行数据处理。综上所述，该实验平台可以进行表1中的12种实验。

二 实验设计

学生首先可以根据给定型号的线阵CCD，仔细阅读说明书了解各个引脚的功能，然后使用杜邦线进行电路连接，通过阅读说明书，了解器件的脉冲时序匹配图，然后编写单片机的波形产生程序，此处可以练习程序编写和学习使用单片机；然后下载程序和调试程序。通过示波器观察波形，判断CCD输出信号是否正常，从而判断程序是否正确；通过在程序中加入NOP等空指令，实现程序的延时，增加或减小积分时间，从而实现对积分时间的理解，更加理解器件。也可以结合简单的光学元件实现角度和长度的测量。

三 结束语

目前该实验平台已经在河北工业大学测控技术及仪器专业的大三和大四本科生中广泛使用，取得了很好的效果，学生的实验能力和动手能力都得到了很大的提高。在各个大学普遍重视科研和理论的今天，重视培养应用型学生也是必不可少。

参考文献：

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[3] 王琳霖，王伟，曹国强，等.基于单片机的机电控制实训平台设计[J].实验技术与管理，2018，35（4）：82-85.

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[5] 钟冲，张抒.“双一流”背景下高水平实验室新体系建设研究[J].实验技术与管理，2021，19（2）：151-156.

[6] 万峰，范世福.以c8051F020为核心的CCD驱动与采集系统的设计[J].光学精密工程，2005（S1）：179-182.