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講的比較明了,內(nèi)容很短但言簡意賅
通過閱讀本文，可以使你快速地了解線性CCD的工作原理、圖像的采集方法以及一些常見問題。本文還將給出線性 CCD的編程方法以及基于亮度反饋的編程思路。
1. 與攝像頭CCD 的區(qū)別
我們常說的攝像頭CCD 模塊通常使用的是面陣CCD芯片，一般以O(shè)V 系列面陣 CCD 最為常用。而TSL1401屬于線性 CCD，也可以叫做線陣CCD。與面陣CCD相比，線性CCD 最明顯的特點(diǎn)就是其只能采集一行的可視像素。在智能車競賽中，攝像頭組使用的是面陣 CCD，而光電組則必須使用線性CCD。同樣是看一段賽道的圖像，兩種 CCD模塊看到的圖像如圖 1所示。
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2018-12-9 02:05 上傳
由圖 1 可見，左邊圖像為面陣 CCD 采集的二維圖像，它的分辨率為 m*n,而右側(cè)的圖像為線性CCD采集的一維圖像，分辨率為p*1。其中 p為線性 CCD器件的最大像素?cái)?shù)，TSL1401的像素?cái)?shù)為128，因此可以將右圖紅框內(nèi)的線分為128 個(gè)點(diǎn)。
2. 線性CCD 工作原理
在 TSL1401的官方技術(shù)文檔中已經(jīng)詳細(xì)描述了線性CCD 的工作原理。但是該文檔是全英文的，而且講的大部分內(nèi)容與實(shí)際使用無關(guān)。這里筆者將為你簡明扼要的解釋它的工作原理與要點(diǎn)。
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2018-12-9 02:05 上傳
2.2. 功能描述
TSL1401線性CCD傳感器包含 128個(gè)線性排列的光電二極管。每個(gè)光電二極管都有各自的積分電路，以下我們將此電路統(tǒng)稱為像素。每個(gè)像素所采集的圖像灰度值與它所感知的光強(qiáng)和積分時(shí)間成正比。以上名詞所對應(yīng)的物理量綱為：
灰度值：輸出電壓 Vout；
光強(qiáng)：器件對給定光波長在電壓上的反應(yīng)Ve;(Ve=V/(μJ/cm2)* μW/cm2)
積分時(shí)間：即曝光時(shí)間，tint。
那么這 128 個(gè)像素是怎么進(jìn)行采集并輸出的呢，這就用到了 SI 和 CLK 信號。根據(jù)表 1可以簡單的了解它們的功能。在 128個(gè)像素之外，還有一個(gè)開關(guān)邏輯控制和移位寄存器電路。SI通過該電路，控制每一個(gè)像素的積分和復(fù)位操作；CLK 通過該電路控制每一個(gè)像素電壓的依次輸出。TSL1401內(nèi)部的模塊圖如圖 2所示。
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2018-12-9 02:06 上傳
圖中可以看到上面提到的像素電路、開關(guān)邏輯控制和位移寄存器電路。從圖中我們還可以看到一個(gè)Gain Trim,該模塊對傳感器輸出的電壓進(jìn)行增益調(diào)整，因此從AO引腳輸出的電壓無需再接其他運(yùn)放，直接接入單片機(jī)的 AD 輸入引腳即可。每個(gè)像素的值可以在 CLK 的下降沿時(shí)從AO采集。
3. 積分時(shí)間or 曝光時(shí)間
如果你閱讀了 TSL1401 的英文技術(shù)文檔，經(jīng)常會看到積分（integration）這個(gè)詞，而上一節(jié)我們也說了，像素的輸出值與積分時(shí)間成正比，其實(shí)這里所說的積分時(shí)間就是我們熟知的曝光時(shí)間。這個(gè)曝光時(shí)間的概念和相機(jī)中膠片的曝光時(shí)間是一樣的。曝光時(shí)間是指底片的感光時(shí)間，曝光時(shí)間越長底片上生成的相片越亮，相反越暗。線性CCD的曝光時(shí)間也是這個(gè)原理。
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2018-12-9 02:07 上傳
TSL1401技術(shù)文檔中關(guān)于積分時(shí)間做了大量說明，其實(shí)歸根結(jié)底可以由圖 3表示。圖中第19個(gè)CLK到下一個(gè)SI開始的這段時(shí)間，就是CCD 的積分時(shí)間，即曝光時(shí)間。之前的18個(gè)CLK的時(shí)間為積分器的復(fù)位時(shí)間。
小提示：在每個(gè)SI信號之后采集到的像素均是這個(gè)SI 信號之前所曝光得到的圖像。 如果用戶提供的CLK頻率足夠快（最大8MHz），那么前 18個(gè)CLK的時(shí)間可以忽略不計(jì)，TSL1401 的曝光時(shí)間可以近似為兩個(gè) SI 信號的間隔時(shí)間。而一般情況下，即使 CLK 頻率為8MHz，單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間也達(dá)不到那么快。
3.2. 關(guān)于曝光時(shí)間長短討論
根據(jù) TSL1401 技術(shù)文檔的提供的數(shù)據(jù)，該器件的最大曝光時(shí)間為 100ms，即無論你實(shí)際曝光多長時(shí)間，只要超過 100ms，其圖像效果和100ms是一樣的。那么如何選擇合適的曝光時(shí)間，就成了需要面對的問題。
即使是相同的物體，在不同的光線環(huán)境下得到的圖像是不一樣的。從理論上講，在光線較暗的環(huán)境中，應(yīng)該增加曝光時(shí)間，以換取亮度合適的圖像；在光線較強(qiáng)的環(huán)境中，應(yīng)該減少曝光時(shí)間，以防止圖像出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。
但是對于采集變化較快的圖像，例如在智能車的應(yīng)用中，應(yīng)該避免增加曝光時(shí)間。原因有兩個(gè)：
一、增加曝光時(shí)間意味著圖像采集周期變長，不利于系統(tǒng)的控制。說白了就是采集周期變長，系統(tǒng)控制的反應(yīng)能力就變?nèi)酰?
二、增加曝光時(shí)間會使圖像變模糊，不利于圖像處理。這個(gè)道理也和相機(jī)一樣，相機(jī)的快門越快，越適合捕捉高速運(yùn)動的圖像，反之則捕捉的圖像很模糊！ 當(dāng)然如果你用來采集變化較慢的圖像，或者是靜止的圖像，則沒有曝光時(shí)間長短的問題。
4. 常用的編程方法
由于線性CCD只需采集 1行像素即可，因此它的編程方法相比面陣CCD更為簡單，唯一需要處理好的就是曝光時(shí)間的長短以及閾值的選擇。
常用的曝光方法有兩種，分別是單次曝光法和連續(xù)曝光法。
4.1. 曝光方法分類
單次曝光法：這種方法適用于采集周期不固定的情況，即首先利用一個(gè) SI 周期來曝光CCD，緊接著在下一個(gè) SI 周期對 128 個(gè)像素進(jìn)行依次采集。在前一個(gè)SI 周期內(nèi)，必須輸出129 個(gè) CLK 以丟棄沒用的 AO 輸出，曝光結(jié)束后的第二個(gè) SI 周期內(nèi)采集的 AO 輸出才是正確的。
該方法需要在兩個(gè) SI 信號之間添加延時(shí)函數(shù)來控制曝光時(shí)間。缺點(diǎn)是占用 CPU 運(yùn)行時(shí)間來進(jìn)行曝光，即在曝光期間內(nèi) CPU只能處于等待狀態(tài)。 連續(xù)曝光法：該方法的采集原理與單次法相同，只不過該方法利用單片機(jī)的周期定時(shí)器來控制SI 信號的間隔，即曝光時(shí)間。該法通過設(shè)置單片機(jī) PIT 的中斷周期時(shí)間來獲取不同的曝光時(shí)間，并在PIT中斷函數(shù)內(nèi)進(jìn)行 AO 的數(shù)據(jù)采集。 相比單次采集法，連續(xù)采集法可以節(jié)約 CPU時(shí)間，利用 PIT周期中斷定時(shí)器實(shí)現(xiàn)曝光延時(shí)。
4.2. 像素采集方法
不管采用哪種曝光方法，其針對像素輸出值 AO 的采集方法是一樣的，如圖 4 所示。使用者需要在SI持續(xù)高電平 20ns后產(chǎn)生第1個(gè) CLK信號，并在每個(gè) CLK信號的下降沿時(shí)采集AO 引腳的輸出的電壓值。在采集了 128 個(gè)像素后，還必須生成第 129 個(gè) CLK 以結(jié)束本次采集。在第129個(gè) CLK之后到下一個(gè) SI信號之間的時(shí)間就是下次采集的曝光時(shí)間（這里說的曝光時(shí)間是忽略了第19到129個(gè)CLK之間的時(shí)間） 。
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