基于STM32的CCD成像的设计及实现

褚连胜+郭阳宽+王海军

摘要：成像系統是星敏感器的重要组成部分，成像系统的好坏会直接影响星敏感器的性能。本文利用STM32F103芯片作为CCD成像系统的主控制器，通过STM32F103控制CCD的频率和占空比的大小，并由STM32F103的AD转换模块将CCD采集的信号由模拟信号转换为数字信号进行输出。通过实验，由STM32F103作为主控的成像系统可以完成CCD对信号的感应与采集。

关键词：单片机；成像系统；CCD

中图分类号：TN911.73 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）11-0174-01

0 引言

实现星敏感器白天对恒星的探测是实现天文导航系统的全天候工作的关键[1]。由于受到大气层以及白天强烈天空背景辐射的影响，基于APS CMOS的星敏感器实现在白天对恒星的探测非常困难[2][3]。由于CCD图像传感器与APS CMOS相比在灵敏度和抗噪声干扰方面都具有明显的优势，研究基于CCD的星敏感器是否可以实现白天对恒星的探测是完成天文导航系统的关键[4]。成像系统是星敏感器最主要的组成部分[5]。本文设计的以STM32F103作为主控制器的CCD成像系统电路结构简单，不需要额外的AD转换模块就可实现将CCD采集到的信号由模拟信号转换为数字信号发送出去的功能。

1 系统结构

整个成像系统由软件和硬件组成，硬件主要由STM32控制模块、CCD成像模块、电源转换模块三部分组成，如图1所示。

图像传感器将感应的光线通过STM32F103自带的A＼D转换为数字信号传输给数据处理模块。电源模块提供CCD各个管脚需要的电压以及为STM32提供驱动电压，通过调节STM32F103输出的频率的大小可将CCD图像传感器的性能调节到最优状态。

2 硬件电路设计

2.1 CCD成像模块

有关天文资料表明，很多恒星的光谱峰值波长都集中在0.7μm～0.9μm之间，本文选择峰值波长在0.6μm～0.9μm之间的G11135-512DE。

由单片机将CLK1、CLK2需要的频率以PWM波的形式发送给CCD；将CCD的12、20、22管脚分别连接到单片机AD转换模块相应的管脚。

2.2 STM32控制模块

将STM32F103的最小系统设计出来后，再分别将其AD转换功能及PWM频率输出功能需要的外围电路设计出来完成对CCD的连接即可。

2.3 电源模块

CCD图像传感器需要的电压种类较多，有1.2V，4V，5V，STM32F103需要的电压为3.3V。由5V电源供电，要完成5V/4V，5V/3.3V，5V/1.2V的转换。

3 软件设计

软件包括两部分：PWM波输出CCD需要的频率和AD采集将CCD采集到的模拟量转换成数字信号输出，流程如图2示。

通过软件配置PWM波调整图像传感器CLK1、CLK2所需要的频率，配置CLK1为1MHZ，CLK2为20KHZ，使图像传感器能够正常工作。A/D转换模块在接收到图像传感器信号后开始在高电平触发A/D转换，将转换成的数字信号通过UART传送给数据处理模块。

4 测试及结果

为了测量所做系统对光谱的感应，使用不同波长的灯光照射图像传感器，利用示波器观察结果如图3。

可见，在800nm（图像传感器的峰值波长）响应最明显。实验结果表明，所设计系统实现了成像要求。

5 结语

本文综合讨论了系统的硬件设计和软件设计。实验结果表明STM32F103芯片可以很好的完成对图像传感器的控制和数据输出，使整个成像系统能够正常工作。为将来整个系统应用于实践打下了基础。

参考文献

[1]宁晓琳，房建成.航天器自主天文导航系统的可观测性及可观测度分析[J].北京航空航天大学学报，2005，（06）：673-677.

[2]何家维，何昕，魏仲慧.科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用[J].光电工程，2012，（03）：12-18.

[3]何家维，何昕，魏仲慧，林为才.EMCCD相机在全天时星敏感器中的设计与应用[J].红外技术，2013，（11）：718-722.

[4]魏合理，陈秀红，余凯，田永青.白天CCD观星可探测极限星等值分析[J].强激光与粒子束，2007，（02）：187-192.

[5]韩昌元.光电成像系统的性能优化[J].光学精密工程，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