基于CCD 電荷耦合器的光電傳感器無線通信模組研究

張 曄，李亞杰，杜春暉

（河北建筑工程學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河北 張家口 075000）

0 引言

目前基于CCD 的光電傳感器、攝像頭、數(shù)碼相機(jī)等一般采用有線、串行總線等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，也有采用WiFi 實(shí)現(xiàn)無線通信的[1]。對于有基礎(chǔ)設(shè)施及網(wǎng)絡(luò)覆蓋的生活區(qū)、工作區(qū)采用有線或無線局域網(wǎng)WiFi 方式實(shí)現(xiàn)通信即可，但對于野外工作環(huán)境惡劣，沒有基礎(chǔ)設(shè)施也沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，很難使用該類傳感器[2?3]。比如野生動物視頻采集應(yīng)用場景中，布線需要高昂的成本，并且施工難度大[4]。

為了解決以上應(yīng)用場景下布線困難、施工難及施工成本高等問題，基于CC2530 芯片設(shè)計(jì)CCD 光電傳感器無線通信模組，多個傳感器通過CC2530 所支持的ZStack 無線通信協(xié)議棧構(gòu)建無線自組織網(wǎng)絡(luò)，視頻及圖像信號通過組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測與控制，并對提出的無線通信方案進(jìn)行分析與驗(yàn)證。采用無線通信改進(jìn)有線CCD 光電傳感器通信的弊端與不足，具有一定的研究意義與現(xiàn)實(shí)意義[5]。

1 提出的CCD 光電傳感器無線通信方案

1.1 CCD 光電傳感器結(jié)構(gòu)

CCD 光電傳感器由三部分組成，分別包括：MOS 光敏元陣列、讀出移位寄存器及無線通信模組[6]。其中，光敏元陣列由成千上萬的光敏元組成，一個MOS 光敏元的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 單個MOS 光敏元結(jié)構(gòu)圖

CCD 光電耦合器件輸出信號是電荷信號，這些電荷信號需要經(jīng)過電路輸出，由讀出移位寄存器實(shí)現(xiàn)[7]。

無線通信模組采用TI 的CC2530 SOC 芯片，該芯片內(nèi)置8051 單片機(jī)，集成IEEE 802.15.4 無線收發(fā)功能，采用2.4 GHz 頻率通信，支持ZStack 無線通信協(xié)議棧。

MOS 光敏元陣列實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，將成像的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，每個光敏元對應(yīng)一個像素點(diǎn)，多個光敏元對應(yīng)多個像素，不同像素構(gòu)成完整的圖像[8]。MOS光敏元陣列輸出的是電荷信號，需經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，通過讀出移位寄存器實(shí)現(xiàn)該功能。無線通信模組將生成的數(shù)字信號通過無線加密、調(diào)制、解調(diào)等實(shí)現(xiàn)無線自組織組網(wǎng)，并完成數(shù)據(jù)傳輸。

光敏元的結(jié)構(gòu)包括：電極、耗盡層、勢阱及二氧化硅層，其工作原理在下一小節(jié)重點(diǎn)說明。讀出移位寄存器由氧化物、半導(dǎo)體、電極（每組電極由3 個臨近的電極構(gòu)成）和遮光層組成，其工作原理在下一節(jié)中詳細(xì)闡述。

1.2 工作原理及流程

一個MOS 光敏元實(shí)現(xiàn)電荷存儲時，在圖1 所示的金屬電極端施加正向電壓并形成電場，在電場作用下形成一個耗盡區(qū)，電子在該區(qū)域勢能很低，稱作“勢阱”。當(dāng)有光線照射到該光敏元時，由于光電效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對，受電場影響，空穴被電場力排斥出耗盡區(qū)（如圖1 所示），而光電子則被之前產(chǎn)生的勢阱捕獲，光強(qiáng)度越強(qiáng)勢阱捕獲的光電子數(shù)量越多。CCD 器件由成百上千的光敏元組成，每個光敏元形成一個勢阱，并捕獲一定的光電子，這些被一個勢阱捕獲的光電子稱之為電荷包。在CCD 器件內(nèi)形成成百上千的電荷包，當(dāng)照射在光敏元上的是圖像，就會在光敏元陣列中產(chǎn)生一幅與光照度相關(guān)的光生電荷圖像，實(shí)現(xiàn)從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。

為了把產(chǎn)生的電荷信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?，需采用讀出移位寄存器部件實(shí)現(xiàn)將電荷轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏骰螂妷盒盘?，并通過電路輸出。在其底部覆蓋一層遮光層，以防止其他面帶來的外來光線的干擾。一個耦合單元由3 個臨近的電極組成，3 個電極分別添加三相時鐘脈沖波φ1，φ2，φ3。三相脈沖同頻率，相位相差120°，在不同時刻通過脈沖控制勢阱的深度，從而通過電場控制電荷從寄存器的一端逐步轉(zhuǎn)移到另一端，從而實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。電荷轉(zhuǎn)移的原理圖如圖2 所示。

圖2 電荷轉(zhuǎn)移原理圖

圖2 中，三相脈沖分別為φ1，φ2，φ3，電荷轉(zhuǎn)移工作過程如下：

Step1：在t1時刻，φ1為高電平，φ2與φ3為低電平，φ1對應(yīng)的電極下存入光電荷；

Step2：在t2時刻，φ1，φ2為高電平，φ3為低電平，φ1，φ2所對應(yīng)的電極下的勢阱互相連通，并在連通后的勢阱內(nèi)存入光電荷；

Step3：在t3時刻，φ1電平下降，φ2保持高電平，φ3保持低電平，由于φ1電平下降并最終變?yōu)榱悖瑢?dǎo)致φ1所對應(yīng)電極勢阱變淺，光電荷逐漸由φ1柵極下的勢阱轉(zhuǎn)移到φ2柵極下的勢阱中；

Step4：在t4時刻，φ1保持低電平，φ2電平開始下降，φ3為高電平，光電荷逐漸由φ2柵極下的勢阱轉(zhuǎn)移到φ3柵極下的勢阱中；

Step5：在t5時刻，φ1為高電平，φ2為低電平，φ3電平開始降低，光電荷逐漸由φ3柵極下的勢阱轉(zhuǎn)移到φ1柵極下的勢阱中；

Step6：在t6時刻，重復(fù)Step1。

無線通信模組采用IEEE 802.15.4?2006 標(biāo)準(zhǔn)，載波頻率范圍是2 394～2 507 MHz，并通過FREQCTRL.FREQ[6：0]寄存器根據(jù)式（1）計(jì)算編程設(shè)定。

通信采用16 通道，步長為5 MHz，編號位于區(qū)間[11，26]，通道的射頻頻率由式（2）得到。

2 實(shí)驗(yàn)與仿真

為了驗(yàn)證無線通信模組的有效性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中采用TCD142D 型CCD 器件，以TI CC2530 SOC 作為主控芯片，采用IAR Embedded Workbench 集成開發(fā)工具進(jìn)行編程，協(xié)議棧采用IEEE 802.15.4?2006，通過串口調(diào)試助手進(jìn)行接收端數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)。PC 機(jī)采用WIN7 32 位操作系統(tǒng)，8 GB 內(nèi)存及Intel i5 處理器。實(shí)驗(yàn)環(huán)境及所有設(shè)備數(shù)量如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證無線通信模組的有效性，設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)由采集端和接收端兩個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，發(fā)送端和接收端通過自組織構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

采集端采用TCD142D 型CCD 器件采集圖像信息，通過設(shè)計(jì)的無線通信模組將圖像信息調(diào)制發(fā)送，接收端負(fù)責(zé)接收圖像信息，并解調(diào)信號還原圖像，并在PC 機(jī)通過串口調(diào)試助手將接收到的圖片呈現(xiàn)。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

CCD 采集端由脈沖采集電路及輸出電路組成，其中脈沖產(chǎn)生電路如圖4 所示，該電路包括：RC 振蕩器、分頻器、與門、譯碼器，分別產(chǎn)生φRS，φ1，φSH，φ2等脈沖驅(qū)動TCD142D 型CCD 器件。

圖4 脈沖產(chǎn)生電路示意圖

TCD142D 驅(qū)動脈沖波形如圖5 所示。其中，φRS，φ1，φSH，φ2為四路脈沖信號，通過驅(qū)動脈沖實(shí)現(xiàn)點(diǎn)荷包轉(zhuǎn)移并在電路輸出。

圖5 TCD142D 驅(qū)動脈沖波形圖

無線通信模組采用2.4 GHz 的直接序列擴(kuò)頻DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）頻譜進(jìn)行無線射頻調(diào)制。通信中符號映射到16 個偽隨機(jī)序列，并以2 Mchips/s 速度進(jìn)行傳輸，調(diào)制過程首先將發(fā)送的比特流以最低有效位為先（Last Significant Bit，LSB）實(shí)現(xiàn)到符號的轉(zhuǎn)換，采用62.5 ksymbol/s 速率實(shí)現(xiàn)符號到芯片的傳送，再以2 Mchips/s 通信速率通過O?QPSK 調(diào)制器實(shí)現(xiàn)信號調(diào)制到ADC。

調(diào)制采用偏移?正交相移鍵控與正弦芯片，每個芯片形成半個正弦波形，并依次在半芯片周期的I 通道與Q 通道輸出，零符號芯片序列圖如圖6 所示。

圖6 TC=0.5 時，傳送零符號芯片序列時的相位

通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，采集端獲得圖像信息，并通過無線通信模組進(jìn)行信息發(fā)送，接收端接收到信息后，在PC 端呈現(xiàn)出來，驗(yàn)證了無線通信模組的有效性。

3 結(jié)語

本文提出一種基于TCD142D 與CC2530 SOC 的無線CCD 光電傳感器，設(shè)計(jì)了傳感器的無線通信模組。通過多個光敏元將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾尚盘?，再利用電路產(chǎn)生脈沖實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，通過驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)送方負(fù)責(zé)采集圖像并將所感知圖像通過無線發(fā)送，接收端接收到信號后還原圖像，并在PC 機(jī)呈現(xiàn)，驗(yàn)證了無線通信模組的有效性。