基于STM32的CCD成像的設(shè)計及實現(xiàn)

褚連勝+郭陽寬+王海軍

摘要：成像系統(tǒng)是星敏感器的重要組成部分，成像系統(tǒng)的好壞會直接影響星敏感器的性能。本文利用STM32F103芯片作為CCD成像系統(tǒng)的主控制器，通過STM32F103控制CCD的頻率和占空比的大小，并由STM32F103的AD轉(zhuǎn)換模塊將CCD采集的信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進行輸出。通過實驗，由STM32F103作為主控的成像系統(tǒng)可以完成CCD對信號的感應(yīng)與采集。

關(guān)鍵詞：單片機；成像系統(tǒng)；CCD

中圖分類號：TN911.73 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0174-01

0 引言

實現(xiàn)星敏感器白天對恒星的探測是實現(xiàn)天文導(dǎo)航系統(tǒng)的全天候工作的關(guān)鍵[1]。由于受到大氣層以及白天強烈天空背景輻射的影響，基于APS CMOS的星敏感器實現(xiàn)在白天對恒星的探測非常困難[2][3]。由于CCD圖像傳感器與APS CMOS相比在靈敏度和抗噪聲干擾方面都具有明顯的優(yōu)勢，研究基于CCD的星敏感器是否可以實現(xiàn)白天對恒星的探測是完成天文導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵[4]。成像系統(tǒng)是星敏感器最主要的組成部分[5]。本文設(shè)計的以STM32F103作為主控制器的CCD成像系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，不需要額外的AD轉(zhuǎn)換模塊就可實現(xiàn)將CCD采集到的信號由模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送出去的功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個成像系統(tǒng)由軟件和硬件組成，硬件主要由STM32控制模塊、CCD成像模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊三部分組成，如圖1所示。

圖像傳感器將感應(yīng)的光線通過STM32F103自帶的A＼D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊。電源模塊提供CCD各個管腳需要的電壓以及為STM32提供驅(qū)動電壓，通過調(diào)節(jié)STM32F103輸出的頻率的大小可將CCD圖像傳感器的性能調(diào)節(jié)到最優(yōu)狀態(tài)。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 CCD成像模塊

有關(guān)天文資料表明，很多恒星的光譜峰值波長都集中在0.7μm～0.9μm之間，本文選擇峰值波長在0.6μm～0.9μm之間的G11135-512DE。

由單片機將CLK1、CLK2需要的頻率以PWM波的形式發(fā)送給CCD；將CCD的12、20、22管腳分別連接到單片機AD轉(zhuǎn)換模塊相應(yīng)的管腳。

2.2 STM32控制模塊

將STM32F103的最小系統(tǒng)設(shè)計出來后，再分別將其AD轉(zhuǎn)換功能及PWM頻率輸出功能需要的外圍電路設(shè)計出來完成對CCD的連接即可。

2.3 電源模塊

CCD圖像傳感器需要的電壓種類較多，有1.2V，4V，5V，STM32F103需要的電壓為3.3V。由5V電源供電，要完成5V/4V，5V/3.3V，5V/1.2V的轉(zhuǎn)換。

3 軟件設(shè)計

軟件包括兩部分：PWM波輸出CCD需要的頻率和AD采集將CCD采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，流程如圖2示。

通過軟件配置PWM波調(diào)整圖像傳感器CLK1、CLK2所需要的頻率，配置CLK1為1MHZ，CLK2為20KHZ，使圖像傳感器能夠正常工作。A/D轉(zhuǎn)換模塊在接收到圖像傳感器信號后開始在高電平觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號通過UART傳送給數(shù)據(jù)處理模塊。

4 測試及結(jié)果

為了測量所做系統(tǒng)對光譜的感應(yīng)，使用不同波長的燈光照射圖像傳感器，利用示波器觀察結(jié)果如圖3。

可見，在800nm（圖像傳感器的峰值波長）響應(yīng)最明顯。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了成像要求。

5 結(jié)語

本文綜合討論了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。實驗結(jié)果表明STM32F103芯片可以很好的完成對圖像傳感器的控制和數(shù)據(jù)輸出，使整個成像系統(tǒng)能夠正常工作。為將來整個系統(tǒng)應(yīng)用于實踐打下了基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]寧曉琳，房建成.航天器自主天文導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀測性及可觀測度分析[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2005，（06）：673-677.

[2]何家維，何昕，魏仲慧.科學(xué)級CCD相機在星敏感器中的設(shè)計與應(yīng)用[J].光電工程，2012，（03）：12-18.

[3]何家維，何昕，魏仲慧，林為才.EMCCD相機在全天時星敏感器中的設(shè)計與應(yīng)用[J].紅外技術(shù)，2013，（11）：718-722.

[4]魏合理，陳秀紅，余凱，田永青.白天CCD觀星可探測極限星等值分析[J].強激光與粒子束，2007，（02）：187-192.

[5]韓昌元.光電成像系統(tǒng)的性能優(yōu)化[J].光學(xué)精密工程，2015，23（01）：1-9.

Abstract：The imaging system is an important part of the star sensor， and the quality of the imaging system directly influences the performance of the star sensor. Based on STM32F103 chips as the main controller of the CCD imaging system， CCD through STM32F103 control of frequency and duty ratio of the size， and the AD conversion module of STM32F103 CCD acquisition signal output by analog signals into digital signals. By experiment， the imaging system with STM32F103 as the main control can complete the sensor and collection of the CCD.

Key Words：Single-chip microcomputer；the imaging system；CCDendprint