讲的比较明了,内容很短但言简意赅
通过阅读本文，可以使你快速地了解线性CCD的工作原理、图像的采集方法以及一些常见问题。本文还将给出线性 CCD的编程方法以及基于亮度反馈的编程思路。
1. 与摄像头CCD 的区别
我们常说的摄像头CCD 模块通常使用的是面阵CCD芯片，一般以OV 系列面阵 CCD 最为常用。而TSL1401属于线性 CCD，也可以叫做线阵CCD。与面阵CCD相比，线性CCD 最明显的特点就是其只能采集一行的可视像素。在智能车竞赛中，摄像头组使用的是面阵 CCD，而光电组则必须使用线性CCD。同样是看一段赛道的图像，两种 CCD模块看到的图像如图 1所示。
由图 1 可见，左边图像为面阵 CCD 采集的二维图像，它的分辨率为 m*n,而右侧的图像为线性CCD采集的一维图像，分辨率为p*1。其中 p为线性 CCD器件的最大像素数，TSL1401的像素数为128，因此可以将右图红框内的线分为128 个点。
2. 线性CCD 工作原理
在 TSL1401的官方技术文档中已经详细描述了线性CCD 的工作原理。但是该文档是全英文的，而且讲的大部分内容与实际使用无关。这里笔者将为你简明扼要的解释它的工作原理与要点。
2.2. 功能描述
TSL1401线性CCD传感器包含 128个线性排列的光电二极管。每个光电二极管都有各自的积分电路，以下我们将此电路统称为像素。每个像素所采集的图像灰度值与它所感知的光强和积分时间成正比。以上名词所对应的物理量纲为：
灰度值：输出电压 Vout；
光强：器件对给定光波长在电压上的反应Ve;(Ve=V/(μJ/cm2)* μW/cm2)
积分时间：即曝光时间，tint。
那么这 128 个像素是怎么进行采集并输出的呢，这就用到了 SI 和 CLK 信号。根据表 1可以简单的了解它们的功能。在 128个像素之外，还有一个开关逻辑控制和移位寄存器电路。SI通过该电路，控制每一个像素的积分和复位操作；CLK 通过该电路控制每一个像素电压的依次输出。TSL1401内部的模块图如图 2所示。
图中可以看到上面提到的像素电路、开关逻辑控制和位移寄存器电路。从图中我们还可以看到一个Gain Trim,该模块对传感器输出的电压进行增益调整，因此从AO引脚输出的电压无需再接其他运放，直接接入单片机的 AD 输入引脚即可。每个像素的值可以在 CLK 的下降沿时从AO采集。
3. 积分时间or 曝光时间
如果你阅读了 TSL1401 的英文技术文档，经常会看到积分（integration）这个词，而上一节我们也说了，像素的输出值与积分时间成正比，其实这里所说的积分时间就是我们熟知的曝光时间。这个曝光时间的概念和相机中胶片的曝光时间是一样的。曝光时间是指底片的感光时间，曝光时间越长底片上生成的相片越亮，相反越暗。线性CCD的曝光时间也是这个原理。
TSL1401技术文档中关于积分时间做了大量说明，其实归根结底可以由图 3表示。图中第19个CLK到下一个SI开始的这段时间，就是CCD 的积分时间，即曝光时间。之前的18个CLK的时间为积分器的复位时间。
小提示：在每个SI信号之后采集到的像素均是这个SI 信号之前所曝光得到的图像。 如果用户提供的CLK频率足够快（最大8MHz），那么前 18个CLK的时间可以忽略不计，TSL1401 的曝光时间可以近似为两个 SI 信号的间隔时间。而一般情况下，即使 CLK 频率为8MHz，单片机的AD转换时间也达不到那么快。
3.2. 关于曝光时间长短讨论
根据 TSL1401 技术文档的提供的数据，该器件的最大曝光时间为 100ms，即无论你实际曝光多长时间，只要超过 100ms，其图像效果和100ms是一样的。那么如何选择合适的曝光时间，就成了需要面对的问题。
即使是相同的物体，在不同的光线环境下得到的图像是不一样的。从理论上讲，在光线较暗的环境中，应该增加曝光时间，以换取亮度合适的图像；在光线较强的环境中，应该减少曝光时间，以防止图像出现饱和现象。
但是对于采集变化较快的图像，例如在智能车的应用中，应该避免增加曝光时间。原因有两个：
一、增加曝光时间意味着图像采集周期变长，不利于系统的控制。说白了就是采集周期变长，系统控制的反应能力就变弱；
二、增加曝光时间会使图像变模糊，不利于图像处理。这个道理也和相机一样，相机的快门越快，越适合捕捉高速运动的图像，反之则捕捉的图像很模糊！ 当然如果你用来采集变化较慢的图像，或者是静止的图像，则没有曝光时间长短的问题。
4. 常用的编程方法
由于线性CCD只需采集 1行像素即可，因此它的编程方法相比面阵CCD更为简单，唯一需要处理好的就是曝光时间的长短以及阈值的选择。
常用的曝光方法有两种，分别是单次曝光法和连续曝光法。
4.1. 曝光方法分类
单次曝光法：这种方法适用于采集周期不固定的情况，即首先利用一个 SI 周期来曝光CCD，紧接着在下一个 SI 周期对 128 个像素进行依次采集。在前一个SI 周期内，必须输出129 个 CLK 以丢弃没用的 AO 输出，曝光结束后的第二个 SI 周期内采集的 AO 输出才是正确的。
该方法需要在两个 SI 信号之间添加延时函数来控制曝光时间。缺点是占用 CPU 运行时间来进行曝光，即在曝光期间内 CPU只能处于等待状态。 连续曝光法：该方法的采集原理与单次法相同，只不过该方法利用单片机的周期定时器来控制SI 信号的间隔，即曝光时间。该法通过设置单片机 PIT 的中断周期时间来获取不同的曝光时间，并在PIT中断函数内进行 AO 的数据采集。 相比单次采集法，连续采集法可以节约 CPU时间，利用 PIT周期中断定时器实现曝光延时。
4.2. 像素采集方法
不管采用哪种曝光方法，其针对像素输出值 AO 的采集方法是一样的，如图 4 所示。使用者需要在SI持续高电平 20ns后产生第1个 CLK信号，并在每个 CLK信号的下降沿时采集AO 引脚的输出的电压值。在采集了 128 个像素后，还必须生成第 129 个 CLK 以结束本次采集。在第129个 CLK之后到下一个 SI信号之间的时间就是下次采集的曝光时间（这里说的曝光时间是忽略了第19到129个CLK之间的时间） 。
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