高幀頻CCD數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引 言
??? 電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Devices)可以將光信號(hào)的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)化為勢(shì)阱中電荷量的多少，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。它在圖像獲取領(lǐng)域中的應(yīng)用必然要對(duì)CCD輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理。針對(duì)該高幀頻相機(jī)設(shè)計(jì)要求，CCD器件選用Sarnoff公司的VCCD512H。結(jié)合CCD多路輸出的特點(diǎn)，選用高速雙通道A／D芯片AD9942對(duì)輸出模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)轉(zhuǎn)換，并利用FPGA系統(tǒng)資源豐富的特點(diǎn)，將CCD的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)緩存集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)組成
??? 完整的成像系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、焦平面電路和數(shù)據(jù)采集處理電路三部分組成。這里就數(shù)據(jù)采集處理分為：A／D轉(zhuǎn)換電路和緩存及控制時(shí)序設(shè)計(jì)電路。輸入圖像經(jīng)光源照射后，通過(guò)物鏡成像在CCD光敏元件陣列上，CCD通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路完成電信號(hào)的讀出。在控制電路的作用下，CCD輸出信號(hào)進(jìn)行緩沖放大，并經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)字化處理。通常同步采樣的數(shù)據(jù)由控制信號(hào)控制雙口RAM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取，為了簡(jiǎn)化電路，以Xilinx公司的FPGA(XQ2V3000)作為數(shù)據(jù)采集控制的核心，由其產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)、A／D控制信號(hào)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存取。系統(tǒng)組成方框圖如圖1所示。

2 焦平面電路設(shè)計(jì)
2．1 VCCD512H結(jié)構(gòu)
??? VCCD512H是美國(guó)Sarnoff公司生產(chǎn)的一款背照式幀轉(zhuǎn)移面陣CCD，像元數(shù)為512×512，光譜范圍為400～950 nm。VCCD512H圖像傳感器由感光區(qū)、存儲(chǔ)區(qū)、水平移位寄存器和輸出電路等部分組成。感光區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)都包含有16個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列含有256×64個(gè)有效像元，每個(gè)子陣列對(duì)應(yīng)一組讀出寄存器，整個(gè)像面則由16個(gè)子陣列，共512×512個(gè)有效像元構(gòu)成，實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)工程需要采用兩行合為一行的工作方式，即有效像元為512×256，每一路的有效像元數(shù)為128×64個(gè)，像元讀出速率為2 MHz。
2．2 緩沖放大電路
??? 光信號(hào)經(jīng)VCCD512H傳感器后輸出的電信號(hào)有如下特點(diǎn)：負(fù)極性信號(hào)；包含有周期性的復(fù)位脈沖串?dāng)_；有效信號(hào)幅度值較小；像元讀出速率快。
??? CCD輸出信號(hào)的上述特點(diǎn)決定了它不能直接送入A／D轉(zhuǎn)換器，必須從硬件上進(jìn)行一系列的預(yù)處理，包括信號(hào)前置反向、阻抗匹配、放大、濾波即消除信號(hào)中的復(fù)位脈沖、噪聲等所造成的干擾。
??? 在電路設(shè)計(jì)中，由CCD讀出的未經(jīng)相關(guān)雙采樣的電信號(hào)，首先經(jīng)過(guò)一級(jí)射極跟隨器，并在輸出端接一級(jí)RC濾波器濾除噪聲，然后交流耦合至差動(dòng)輸出放大器，由110 Ω屏蔽雙絞電纜連接至差動(dòng)接收、緩沖，到采樣保持電路。
2．3 驅(qū)動(dòng)電路
??? VCCD512H正常工作時(shí)需要11路驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這包括加在感光區(qū)的三相時(shí)鐘脈沖A1，A2，A3;加在存儲(chǔ)區(qū)的三相時(shí)鐘B1，B2，B3；加在讀出寄存器的三相時(shí)鐘C1，C2，C3；清除殘留電荷的復(fù)位脈沖RET；箝位脈沖CLAMP。以上驅(qū)動(dòng)信號(hào)均由FPGA產(chǎn)生時(shí)序，但其時(shí)序不能直接輸送給CCD芯片，一方面因?yàn)镃CD驅(qū)動(dòng)電平比較特殊；另一方面，CCD各移位寄存器等效于容性負(fù)載，而且各級(jí)容性負(fù)載不盡相同，所要求的驅(qū)動(dòng)電流也不相同。所以在驅(qū)動(dòng)電路的選擇上，應(yīng)選擇具有較高電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力和較高工作頻率，該設(shè)計(jì)選用EL7212。

3 數(shù)據(jù)采集處理
3．1 A／D變換電路
3．1．1 A／D芯片介紹
??? A／D芯片是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能在很大程度上取決于A／D芯片的性能。根據(jù)項(xiàng)目要求A／D器件的分辨率應(yīng)為12位，轉(zhuǎn)換速率為16 MHz，共16路，故選用高速A／D芯片AD9942。因它可實(shí)現(xiàn)兩路模擬信號(hào)的40 MHz速率相關(guān)雙采樣(CDS)，0～18 dB 9 b可變?cè)鲆娣糯?VGA)，40 MSPS模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，多極暗電平箝位控制。AD9942功能框圖如圖2所示。

3．1．2 A／D功能實(shí)現(xiàn)
??? 多路模擬信號(hào)的同步采樣一般有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種為多個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換；另一種為僅有一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器，各通道同時(shí)采樣，然后分時(shí)轉(zhuǎn)換。針對(duì)該系統(tǒng)，AD9942的像素時(shí)鐘可以達(dá)到40 MHz，且為雙通道同時(shí)轉(zhuǎn)換，故采用分時(shí)轉(zhuǎn)換即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要求，且可以節(jié)省成本。實(shí)際應(yīng)用中將CCD的16通道分成上下兩個(gè)半幀，上半幀8個(gè)通道分時(shí)復(fù)用AD9942的A通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，下半幀8個(gè)通道分時(shí)復(fù)用B通道進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。
??? 硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要將CCD輸出的每一路模擬信號(hào)通過(guò)采樣保持電路，對(duì)模擬輸入信號(hào)準(zhǔn)確采樣，并將采樣結(jié)果保持一定時(shí)間，通過(guò)兩個(gè)8選1模擬開(kāi)關(guān)，分別送到A／D變換器的A通道和B通道。分時(shí)復(fù)用實(shí)現(xiàn)原理圖如圖3所示。

??? 根據(jù)采樣保持電路的時(shí)鐘可以將該電路工作分為采樣和保持兩個(gè)階段。在采樣階段，采樣得到的電壓以電荷的形式存儲(chǔ)在采樣電容上，輸出端處于短路狀態(tài)，采樣階段即將結(jié)束的時(shí)候，輸入端處于開(kāi)路狀態(tài)，存儲(chǔ)電荷不再改變；在保持階段，輸入采樣信號(hào)通過(guò)保持電容轉(zhuǎn)移到輸出端，由FPGA控制模擬開(kāi)關(guān)分時(shí)選通每一路CCD信號(hào)，從而通過(guò)兩個(gè)階段的交替完成A／D變換全過(guò)程。
??? VCCD512H每一路的有效像元數(shù)為128×64。由于每行有8個(gè)過(guò)掃描像元(用于行箝位)，故設(shè)計(jì)中要保證使每行最少輸出72個(gè)像元，則上下半幀的像元數(shù)都為128×576個(gè)。由此可以確定AD9942的主時(shí)鐘CLI_X(CLI_A，CLI_B)即像素時(shí)鐘為40 MHz，行同步信號(hào)HD_X，幀同步信號(hào)VD_X，并由FPGA分頻產(chǎn)生其波形。它的時(shí)序圖如圖4所示。

3．1．3 高速A／D與FPGA接口實(shí)現(xiàn)
??? AD9942采樣率達(dá)到40 MHz，由FPGA提供像素時(shí)鐘、行同步、幀同步信號(hào)，但是這么高的時(shí)鐘在線路板中是一個(gè)潛在的威脅，它既容易干擾其他器件，又容易被其他器件干擾。AD9942的數(shù)字輸出屬于并行，2個(gè)40 MSPS、12位數(shù)據(jù)流，如此高速數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)容易使數(shù)字系統(tǒng)中出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)和亞穩(wěn)態(tài)，因此首先在A／D的數(shù)據(jù)輸出引腳和FPGA的輸入引腳之間串聯(lián)100 Ω的電阻，用來(lái)削弱高速數(shù)據(jù)線在0，1之間變換產(chǎn)生的毛刺和數(shù)據(jù)線之間的干擾。其次，在FPGA內(nèi)部對(duì)A／D的數(shù)據(jù)線和鎖存時(shí)鐘的使用應(yīng)嚴(yán)格按照器件手冊(cè)上的建立時(shí)間和保持時(shí)間來(lái)設(shè)計(jì)，否則容易產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。
3．2 FPGA實(shí)現(xiàn)A／D控制、數(shù)據(jù)緩存
3．2．1 FPGA器件選擇
??? 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA(Field Programmable Gate Array)集采樣控制、處理、緩存、傳輸控制、通信于一個(gè)芯片內(nèi)，編程配置靈活，開(kāi)發(fā)周期短，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，具有高集成度、體積小、功耗低、高速、I／O端口多、在線系統(tǒng)編程等優(yōu)點(diǎn)，在只需要簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)處理的情況下，F(xiàn)P-GA能夠提供比專(zhuān)用高速DSP更好的解決方案，并且特別適用于對(duì)時(shí)序有嚴(yán)格要求的高速多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。特本設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中以FPGA作為數(shù)據(jù)采集的控制核心，實(shí)現(xiàn)CCD多通道模擬信號(hào)的采集和處理。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)緩存一體化的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用的XQ2V3000是Xilinx公司推出的Virtex-Ⅱ系列的FPGA，它內(nèi)部有豐富的資源，包括三百萬(wàn)個(gè)門(mén)，448 Kb的分布RAM，96個(gè)乘法器，96×18 Kb的Block RAM，12個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)，720個(gè)可配置I／O引腳，最高內(nèi)部工作頻率達(dá)300 MHz。

3．2．2 ADC控制信號(hào)
??? AD9942內(nèi)部寄存器由6條外部配置線進(jìn)行寫(xiě)入，分別為兩條32位數(shù)據(jù)線SDATA_X(SDATA_A，SDATA_B)包括8位地址、24位數(shù)據(jù)(用于AD工作狀態(tài)控制)；兩條位同步信號(hào)SCK_X(SCK_A、SCK_B)；兩條控制有效信號(hào)SL_X(SL_A、SL_B)。數(shù)據(jù)信號(hào)在A／D變換前，即幀同步和行同步信號(hào)開(kāi)始前，SL—X為低電平時(shí)由FPGA寫(xiě)入A／D寄存器，并控制其工作狀態(tài)。仿真時(shí)序圖如圖5所示。

3．2．3 FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存
??? 經(jīng)過(guò)A／D器件轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)，首先通過(guò)FPGA內(nèi)部高速緩沖，然后再轉(zhuǎn)存到片外存儲(chǔ)器中。該系統(tǒng)中FPGA內(nèi)部Block RAM陣列的控制采用乒乓傳輸結(jié)構(gòu)，它可以保證采樣和傳輸各自不間斷的進(jìn)行。具體做法是將96個(gè)：Block RAM分成兩組(RAM1，RAM2)，時(shí)鐘和控制信號(hào)均獨(dú)立。系統(tǒng)工作時(shí)，輸入數(shù)據(jù)分為兩路，流向由VHDL語(yǔ)言編程控制寫(xiě)地址來(lái)實(shí)現(xiàn)RAM1和RAM2的選擇，當(dāng)?shù)刂分赶虻谝唤M的48塊Block RAM時(shí)，RAM1進(jìn)行數(shù)據(jù)寫(xiě)入，與此同時(shí)，第二組的48塊BlockRAM則進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出；RAM1存儲(chǔ)結(jié)束后，切換到RAM2寫(xiě)入而RAM1讀出的模式，如此循環(huán)。

??? XQ2V3000每一個(gè)Block RAM的容量為18 Kb，總?cè)萘繛? 728 Kb(18 Kb×96)，CCD輸出的一幀圖像數(shù)據(jù)量為1 572．864 Kb(256行×512列×12 b)，可見(jiàn)完全可以實(shí)現(xiàn)幀存儲(chǔ)。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)由RAM1和RAM2各存取半幀圖像，用VHDL語(yǔ)言在對(duì)讀／寫(xiě)地址進(jìn)行編程時(shí)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)滿128行數(shù)據(jù)后，讀／寫(xiě)地址分別指向另一個(gè)RAM，部分寫(xiě)地址仿真圖如圖6所示。
??? 最終經(jīng)過(guò)對(duì)AD9942的各項(xiàng)控制信號(hào)和FPGA數(shù)據(jù)緩存地址的仿真，仿真結(jié)果正確并符合技術(shù)手冊(cè)的各項(xiàng)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)
??? 這里介紹了一種基于FPGA控制的CCD高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)。由于創(chuàng)新性的將系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)緩存集成在一片F(xiàn)PGA內(nèi)，并將多路CCD模擬信號(hào)通過(guò)分時(shí)復(fù)用一片AD9942實(shí)現(xiàn)了模／數(shù)轉(zhuǎn)換。從而提高了系統(tǒng)的集成度，而且采用FPGA完成整個(gè)系統(tǒng)的主體設(shè)計(jì)具有速度快、設(shè)計(jì)靈活、保密性好和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，有效地解決了全系統(tǒng)控制同步問(wèn)題。通過(guò)仿真結(jié)果測(cè)試，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定的工作，A／D轉(zhuǎn)換速率可以達(dá)到40 Mb／s，幀頻實(shí)現(xiàn)300幀／s，可以為CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化、低功耗方向發(fā)展提供借鑒意義。