电荷耦合器件简称CCD( Charge Couple DevICes)，是美国贝尔实验室的W.S．Boyle和G．E．Smith在1970年前后发明的一种新型半导体器件。自它问世之日起，就显示出强大的生命力，因为它具有光敏源，几何尺寸严格，间距小，工作电压低，功耗低，抗电磁干扰能力强，噪声低，灵敏度高，工作可靠，寿命长等优点。经过多年的研究，目前CCD已进入实际应用阶段，在像感领域，如可见光像感、非可见光像感、彩色像感这些领域内广泛应用。另外，在信号处理领域也被广泛应用。
CCD是紧密排列在半导体绝缘表面的金属电极形成的MOS电容器，可以用来储存和转移电荷。这些电荷都在一个个势阱中。电荷可以用光学的方法注入，在电极上加上相适应的时钟脉冲电压，电荷包将随着势阱的运动而移动。所以，要使CCD能正常工作，则须给它加上一定的逻辑定时信号，这就是所谓的CCD驱动。通常驱动CCD的逻辑定时电路比较复杂，费用较高，且装配、调试电路的工作量也大。而使用51系列单片机，用软件的方法来产生逻辑定
时信号驱动CCD，这在一定程度上弥补了上述的不足。
一、原 理
以CCD111 256×1线型电荷耦合器件为例说明。图1为CCD111线阵的框图。从图中可以看出，它主要由光敏源、转移栅、传输寄存器和输出栅这几个部分构成。
CCD111线阵是N型表面沟道器件，具有256个光敏源。要实现对CCD的驱动，首先要了解它的驱动信号。当光栅PG上加正脉冲后，256个光敏源积累电荷包，在转移脉冲信号φXA、φxB的作用下，被交替地转移到上面和下面的传输寄存器内，即两列寄存器各存入128个电荷包，因此扫完一帧图像至少要128个驱动脉冲。为了扫尽上一帧图像的残存信号电荷，还需要多几个脉冲。光栅φPC、转移栅φX、传输寄存器驱动脉冲φl、φ2和复位脉冲仇的逻辑定
时波形如图2所示。
CCD的光积分与信号的传输是同时但又相互独立进行的。当光栅φPC是高电平时，转移栅φX保持低电平，处于关闭状态，使光敏区与传输寄存器隔开。当光积分结束时，转移栅加正脉冲，光敏源中的信息电荷按奇偶分别进入传输寄存器中。转移结束后，两个传输寄存器加上移位脉冲信号，两个传输寄存器中的电荷包在移位脉冲信号φlA、φlB、φ2A、φpb的作用下，每驱动一个周期，各电荷包向输出方向移一位，则在输出端OS得到一系列代表电荷大小的视频信号。
从图1可以看出，CCD111需要7种逻辑定时驱动信号：光积分脉冲信号φpg，转移脉冲信号仇φxA、φxb，电荷移位脉冲信号φ1Aφ、φ1R、φ2A、φ2B和复位脉冲信号φR。其中φXA=φXB、φ1A =φ1B、φ2A =φ2B．所以实际上只需5种逻辑定时驱动信号。
8031单片机有4个I/O端口，我们只利用它的P1口。端口的输出数据是8位数字位，我们需要5种脉冲信号，因此只用到P1口其中的5位：P1.0～P1.4分别与φR、φ2、φ1、φX和φPC相对应。根据各个时刻各波形的电平，确定各个时刻各脉冲对应P1.0～P1.4各位的数字。将高电平定为1，低电平定为0，由P1口送出数据，即可得到所需的逻辑定时驱动信号。
二、编程
根据φR～φPC各波形的特点，确定需要从PI口送出的数据。由图2可以看出，B～H段，即一个移位脉冲周期内，φPC与φX的电平不变，但φ1、φ2、φR在B、C、D、E、F、G、H各时刻都发生变化，每一个时刻对应一个数字。因此在一个移位脉冲周期内对应6个数字，分别是12H、13H、12H、14H、15H、14H，共需要135个移位脉冲，所以上述6个数字要重复输出135次。
从图2中也可以看出，O～A段，φPC～φR各波形的电位都不变。该期间波形只对应一个数字：OCH。这段时间占有8个移位脉冲周期。从上面的分析知道，一个周期对应6个数字，因此这段需要6×8个数字的时间，即OCH连续输出48次。
A～B段与0～A段一样，只对应一个数字：04H，也占有8个移位脉冲周期的时间，所以也把04H连续输出48次。
可见CCD输出一帧图像，需要的时间共有(135+8+8)×6个数字的时间，而每个脉冲周期，可以根据实际应用而定。例如当利用计算机采集CCD输出的信息时，要用到A/D转换。这就要求每个脉冲周期与A/D转换器的转换时间相匹配，所以要求CCD、ADC和计算机在时序上保持同步。每个数字的输出延迟时间为一个移位脉冲周期的1／6。本节中每个数字的延迟时间只为说明利用单片机驱动CCD的方法，在实际应用中可视情况而定。
首先由Pl口输出OCH，重复48次，完成0～A段的波形；然后输出04H，也重复48次，完成波形A～B段；接着顺序输出12H、13H、12H、14H、15H、14H，重复135次。在这个过程中，每输出一次数据，延迟时间是相同的。这个过程就完成了一个驱动周期，CCD将输出一帧图像的信号。
上述过程的程序框图如图3所示。
程序中的3FH和3EH这两个地址是BD - 51B单片机开发装置本身在硬件上定义的寄存器R2、R3的地址，R2、R3的内容可以直接由键盘输入，它们与8031内部的通用工作寄存器区内的Rz、R。的地址（选用O区时为OIH和02H）的功能相同。在运行此程序前，要先把数字12H、13H、12H、14H、15H、14H存入存储器，如存入3100H—3105H，那么R2、R3内则要键人31H和OOH。
以下为程序清单：
本文介绍利用单片机通过软件的方法来实现对CCD的逻辑定时驱动。此方法不需要再做任何硬件方面的工作，所以方便易行；而且，对于不同型号的CCD，只要适当修改程序，即可产生相应的驱动信号，因此，具有一定的推广和使用价值。
上一篇：利用广播对时信号校正的时钟设计
