西门子6ES526-1BH00-0AB0型号介绍

介绍了CCD驱动电路的4种常用方式及其优缺点，详细阐述了基于高速超微型单片机C8051F3(x)的CCD驱动电路设计，包括内部CCD驱动时序和外部输出同步信号的产生、像素输出电压的简单处理以及通过RS232接口在线调整CCD驱动频率等。系统克服了目前单片机方式在CCD驱动应用中存在的一些缺点。
关键词：C805lF300 CCD TCDl206可编程计数器阵列 
    

　　CCD作为一种光电转换器件，由于其具有精度高、分辨率好、性能稳定等特点，目前广泛应用于图像传感和非接触式测量领域。在CCD应用技术中，关键的两个问题是CCD驱动时序的产生和CCD输出信号的处理。对于CCD输出信号，可以根据CCD像素频率和输出信号幅值来选择合适的片外或片内模数转换器；而对于CCD驱动时序，则有几类常用的产生方法。
1 常用的CCD驱动时序产生方法
    CCD厂家众多，型号各异，其驱动时序的产生方法也多种多样，一般有以下4种：
    (1)数字电路驱动方法
    这种方法是利用数字门电路及时序电路直接构建驱动时序电路，其核心是一个时钟发生器和几路时钟分频器，各分频器对同一时钟进行分频以产生所需的各路脉冲。该方法的特点是可以获得稳定的高速驱动脉冲，但逻辑设计和调试比较复杂，所用集成芯片较多，无法在线调整驱动频率。
    (2)EPROM驱动方法
    这种驱动电路一般在EPROM中事先存放所有的CCD时序信号数据，并由计数电路产生EPROM的地址使之输出相应的驱动时序。该方法结构相对简单、运行可靠，但仍需地址产生硬件电路，所需EPR0M容量较大，同样也无法在线调整驱动频率。
    (3)微处理器驱动方法
    这种方法利用单片机或DSP通过程序直接在I/O口上输出所需的各路驱动脉冲，硬件简单、调试方便、可在线调整驱动频率。但由于是依靠程序来产生时序，如果程序设计不合理，会造成时序不均匀；而且往往会造成微处理器资源浪费；通常驱动频率不高，除非采用高速微处理器。
    (4)可编程逻辑器件驱动方法
    这种设计方法就是利用CPLD、FPGA等可编程逻辑器件来产生时序驱动信号，硬件简单、调试方便、可靠性好，而且可以得到较高的驱动频率。同样也可在线调整驱动频率。电路设计完成以后，如果想更改驱动时序，只需将器件内部逻辑重新编程即可。
    以上4类方法中目前常用的是微处理器驱动方法(通常又称为“软件驱动”法)和可编程逻辑器件驱动方法(又称“硬件驱动”法)。由于在CCD应用系统中，一般都要用到微处理器，所以若采用“软件驱动”法，则无需增加硬件，在电路结构上为简单，系统成本也低，因此，只要能克服其驱动频率低、资源浪费多、时序不均匀等缺点，无疑是一种理想的驱动方法。本文结合Toshiba公司的TCDl206线阵CCD，介绍如何利用C8051F300来产生其要求的驱动时序。
2 硬件设计
    如图1所示，虚线框内的电路构成CCD驱动处理板。安装在CCD相机内部。系统处理器采用美国Silabs公司推出的超微型高速8位单片机C8051F300，CCD采用Toshiba公司的高灵敏度线阵CCD图像传感器芯片TCDl206，双电压供电的总线驱动器LVC4245解决了单片机(3.3V)和CCD(5V)二者之间的电平匹配。CCD驱动脉冲由C8051F300提供，其像素输出电压经高速运放AD8031处理，由U0引脚引到外部，同时向外部提供像素同步信号PS和行同步信号FS(由PO．6、P0．7经LVT245总线驱动器所得)。

U0、PS、FS这3个信号供外部处理器采集CCD像元输出。另外，有时可能要在线调整CCD的某些参数(如驱动频率、积分时间等)，为此设置了RS232串口与外部处理器进行通信。
2．1 TCD1206
    TCD1206是Toshiba公司生产的高灵敏度二相双沟道线阵CCD图像传感器芯片，2160个有效像素点，像素频率为0_3～2MHz(本系统为1．MHz)，其驱动时序波形如图2所示。

 图2中：φl、φ2为像素脉冲，两者互为反相，RS为复位脉冲．SH为光积分脉冲，OS为像元输出，DOS为像元补偿输出。当SH为低电平时，在φ1、φ2交变后，OS输出像元电压信号，随后发RS脉冲，以便去掉信号输出缓冲中的残余电荷，为下一点像素电压输出做准备。各脉冲具体时序关系可参见参考文献。
2．2 C8051F300
    C8051F系列单片机其CPU内核采用流水线结构，机器周期由标准8051的12个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，使其执行速度在相同晶振下是标准8051的12倍，处理能力大大提高，大部分C8051F单片机的峰值处理速度是25M1PS，而C8051F12X、13X系列的峰值处理速度则达到了100MIPS。C8051F系列单片机功能齐全，性能优异，其整体性能超过很多目前的16位单片机，甚至在一些低端应用中可取代低速的16位DSP器件，目前在仪器仪表、工业控制、嵌入式产品等领域日益得到广泛应用。
    C8051F300是C8051F系列中的超微型高速混合系统级单片机，是目前世界上小封装的8位单片机，11个引脚，封装在面积为3ram×3mm的芯片上。内部集成了3个16位定时器、3个可编程捕捉，比较模块、1个UART串口、1个I2C串口、1个8通道500KSPS采样率的8位ADC、8KB的Flash程序存储器、256B的内部RAM、8个I/O口，系统内部振荡时钟为24．5MHz(±2％)、大峰值处理速度可达25MIPS。
    由图2可见，在4路CCD驱动脉冲中，对时序要求严格的是φ1、φ2和RS，为此，利用C8051F300的可编程计数器阵列模块的2个可编程捕捉，比较模块输出口(CEXO、CEXl)自动产生φl、φ2，以CEXO为基准点，再产生RS和其他脉冲。
2．3 可编程计数器阵列(PCA)
    PCA提供增强的定时器功能，由一个专用的16位计数器，定时器和3个16位捕捉，比较模块组成，每个捕捉/比较模块有其自己的I／O口(CEXn，n=l，2，3)。计数器，定时器的时基信号可在6个时钟源中选择：系统时钟、系统时钟／4、系统时钟/12、外部振荡器时钟/8、定时器0溢出或ECI输入引脚上的外部时钟信号。而每个捕捉，比较模块都可以被独立配置为6种工作方式之一：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、频率输出、8位PWM和16位PWM。
    由于φ1、φ2(对应CEXO、CEXl)是占空比为50％的方波，所以捕捉/比较模块0、1工作在频率输出方式，这种工作方式可在CEXn引脚产生可编程频率的方波，其工作原理图如图3所示。当PCA计数器低字节与捕捉，比较寄存器低字节相同即PCAOL=PCAOCPLn时，称为“比较匹配”，此时CEXn引脚电平翻转，同时捕捉/比较寄存器高字节即PCAOL与PCAOCPHn相加后的结果送入PCAOCPLn，以便下一次比较用。显然，只要改变PCAOCPHn的值，便可在CEXn引脚上得到频率可调、占空比为50％的方渡，其频率由下式定义：
    fCEXn=fPCA/（2×PCAOCPHn），
    其中：fPCA是PCA计数器，定时器的时钟频率。

3 软件设计
    为了得到时序严格的ccD驱动脉冲和外部输出同步脉冲，程序不是靠软件延时来达到合适宽度的脉冲，而是利用PCA模块本身强大的功能，用中断程序来完成各路脉冲，即开放捕捉，比较模块0的“比较匹配”中断作为同步信号，并以此为基准点完成相应脉冲的每一次变化。
3.1 CCD驱动脉冲
    PCA的2个捕捉，比较模块工作方式设置为如图4所示的频率输出方式。其输出引脚CEX0、CEXl的初始电平设置为1、0，当PCAOL与PCAOCPLn(n=O、1)“比较匹配”时，电平翻转，由此形成反相的φ1、φ2脉冲；而HS脉冲的产生，则是在捕捉/比较模块O的“比较匹配”中断程序中，即先对RS(P0．2)置l，随后清零，这样就可产生80ns的RS脉冲(SETB bit指令周期为2个时钟周期，即80ns)。

3．2 外部输出同步脉冲及像素电压
    行同步信号FS、像素同步信号IX5均设置为低电平有效，CCD时序中φl、φ2交变后直到像素电压输出有一个延迟时间tdly(典型值为150ns)，但由于捕捉/比较模块0“比较匹配”时，一方面CEXO(φ1)翻转，一方面向CPU请求中断，而中断响应时间需5个时钟周期(200ns)，显然大于tdly，所以进入中断后，不必考虑tdly，可直接对PS(P0．6)清零，待合适的时间后再将PS置1．这样就产生一个低电平有效的PS信号。
    CCD像素输出OS、DOS经高速运放AD8031处理后，其外部输出像素电压Uo时序如图4所示。
    针对单片机在CCD时序驱动应用中存在的优缺点．选用新型高速C8051F单片机，实现CCD驱动电路，克服了单片机驱动方式存在的驱动频率低、系统资源浪费、时序间隔不均匀等缺点；具有硬件结构简单、调试编程方便、可在线调整驱动频率等优点。本文所介绍的驱动电路己应用于TCDl206，超微型的封装结构使其很容易与其他芯片一起嵌入在CCD相机中，系统运行可靠。

一 、引言

    随着我国的社会和经济的高速发展，环境问题日益突出，尤其是城市水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，严重影响着人民群众的身心健康，这些情况已经成为城市可持续发展的严重制约因素；我国现阶段很多大中型城市的废水排放量大，已造成城市地表水的严重污染；但目前各城市仍然是直接排放污水或因水处理自控系统不完善没处理好就把污水排放了，很多操作和检测监控过程仍停留在人工阶段，监控时间覆盖率低，手工采集样品缺乏科学性和代表性，难以反映企业和城市污水处理及排放连续变化的情况。大范围的建立污水处理系统及在线自动控制监控体系，势在必行。

二、系统要求

    本文介绍的污水处理厂位于重庆某县城边缘该污水处理厂采用的是典型Orbal氧化沟工艺，日处理污水量5万吨，厂区主体构筑物有：综合楼、配电房、进水提升泵房、粗细格栅井及旋流沉砂装置、Orbal氧化沟、终沉池、污泥回流剩余泵井、脱水机房等；整个厂区设备及阀门均采用MCC和PLC两种控制方式，正常情况下可以实现仪表、PLC的完全自动检测控制及运行状况监控。

1、Orbal氧化沟工艺介绍

    Orbal氧化沟水处理工艺起源于南非，后经不断改进和推广，在全球范围得到广泛应用。城市污水由管道集中后，水流首先经过粗格栅，将粗的垃圾去除，然后由提升泵将污水提高水头（后面工艺要求有高水头），再经过细格栅及旋流沉砂池，进一步去除小的垃圾和泥砂，污水进入水处理主体结构——氧化沟，污水在“O”型的氧化沟中经过曝气机调节曝气，使得污水得到缺氧、氧化、硝化、反硝化等反应，在该过程中完成BOD（生物耗氧量）、COD（化学耗氧量）的去除及污水脱氮的功能，并为下一步水的沉淀作好准备，经过氧化沟处理的水流入终沉池，加入Fe3+、或Al3+ 使得水中的（PO4）3- 得以沉淀，充分沉淀后，清水后经二氧化氯消毒后排入长江。沉淀的污泥经脱水机滤干后焚烧处理。
    
2、厂区主要设备控制要求

1>、粗细格栅机及其附属输送压榨设备的控制

定时控制：根据外来污水状况和运行经验，通过设定相关定时参数，自动控制格栅机的启动时间和停止时间。

液位差控制：在格栅机的前后均设置一台超声波液位传感器，检测出格栅机的前后液位差。设定低液位差LDF2和高液位差LDF1，当检测到的液位差大于LDF1时，启动格栅机；当检测到的液位差低于LDF2时，停止格栅机（减少了运行时间，有效的节约能源）。控制过程如:

格栅附属设备的联动：

    皮带输送机和压榨机作为格栅机的附属输送压榨设备，它们在定时或自动运行模式下，一般与格栅机联动。附属设备适当的提前或延时运行。

2>、 提升泵的自动控制

    控制描述如：

（1）变频器连接在台水泵电机上，需要加泵时，变频器停止运行，并由变频器的输出端口RO1～RO3输出信号到PLC，由PLC控制切换过程。

（2） PLC根据泵池液位高中低信号自动调节三台泵的启停；泵池水位到预设的低水位时启动1#泵，水位上升到预设的中水位时，1#泵由变频运行转换到工频运行，这时再变频启动2#泵，依次启动到3#泵。

（3） 切换开始时，变频器停止输出（变频器设置为自由停车），利用水泵的惯性将台水泵切换到工频运行，变频器连接到第二台水泵上起动并运行，照此，将第二台水泵切换到工频运行，变频器连接到第三台水泵上起动并运行。

（4） 水位下降需要减泵时，系统将第三台水泵停止，第二台水泵切换到变频调节状态。水位继续下降，系统将第二台水泵停止，台水泵切换到变频调节状态。

（5） 另外，设置软启动器作为备用。当变频器或PLC故障时，可用软起动器现场手动轮流起动各泵运行以保证供水。作为多台提升泵的自动控制，满足先启先停的原则，以优化资源的利用率；为了提升泵的安全，系统设置了提升泵的干运转保护；同时，系统还设置了泵的频繁启停保护，群启动保护等，以延长其使用寿命。

3>、曝气系统的自动控制

    生化池作为全厂污水处理的核心，具有举足轻重的作用。污水经过预处理后，在这里通过微生物吸附污水中的有机物，达到除磷脱氮的目的。对生化池的自动控制，主要是溶解氧浓度的控制。

    曝气量自动控制系统作为一个恒值控制系统，系统给定一个保持不变的佳溶解氧值，通过PLC控制调节输出量（即曝气机开启台数），使被控量（实测氧化沟溶解氧浓度）不断地接近给定值。在这个系统中，要求稳定性和动态特性良好，被控量向给定值过渡的时间短，同时过程平稳，振荡幅度小。

    曝气供氧系统是由曝气机和溶解氧仪共同组成的闭环系统，为反应池好氧段提供氧气，并维持好氧过程的溶解氧浓度值。依照好氧过程的溶解氧浓度值控制曝气机开启台数，维持溶解氧浓度值在一定的范围内变动。控制流程如。

三、控制模式

    手动模式：手动模式又可以分为盘柜模式和就地模式。盘柜模式就是通过MCC上的按钮实现对设备的操作；就地模式就是通过现场控制箱上的按钮实现对设备的操作。

    遥控模式：就是通过中心控制室上位操作站实现对设备的操作。

    自动模式：设备的运行完全由各PLC根据污水厂的工况及工艺参数来完成对设备的启停控制，而不需要人工干予。

该工程自控系统的特点

1、技术**：现代化的工厂要求与时俱进，该自动化控制系统无论是从使用的profibus-DP现场总线、通讯网络、可编程控制器、组态软件，还是从自动化控制技术来讲，都具有时代性。

2、稳定可靠：选用的自动化产品来自国外品牌，建立的自动化控制平台，经过严格的测试，可以保证系统稳定可靠地运行。

3、自动化程度高，使用简单：对于全厂的控制中心——中心控制室上位界面，采用全中文的设计界面，立体三维流程图形来表达工艺，便于操作员掌握；同时下位机PLC采用西门子的PLC，系统稳定性好，自动化程度高，整个系统维护量小。

4、开放性：该系统采用的现场总线是国际通用的具有开放协议的现场总线和接口，同时各控制站均留有I/O余量，以便于以后系统的改造和扩展。

5、安全性：该系统采用全面的设备保护体系，包括潜水泵的干运转保护、自控平台的防雷保护、进水水质异常保护、报警系统等，以防止因为某些意外或操作员的疏忽而发生事故。

四：应用总结

    此系统采用：四门子CPU，UniMAT扩展模块4AO（2个），4AI（4个），数字量一个，在完成此项工程后，PLC系统运行稳定，采集数据准确快捷，控制的重要设备运行安全，程序开发好后，其维护量几乎为零，同时个人感觉该PLC现场安装、与其它设备的接口等均方便好用，系统投运后，自动化程度高，工作人员维护量小，出水水质能达到国家规定的标准