行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD圖像采集系統(tǒng)的研究

0 引言
    電荷耦合器件(charge coupled devices CCD)作為一種高性能的光電圖像傳感器，具有光譜響應(yīng)寬、線性好、動(dòng)態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實(shí)時(shí)傳輸和電荷掃描等多方面優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域。近年來，利用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)面陣CCD的驅(qū)動(dòng)已經(jīng)成為眾多科研開發(fā)者的共識(shí)，相關(guān)工程應(yīng)用研究課題也如雨后春筍般出現(xiàn)。然而，目前國內(nèi)基于面陣CCD驅(qū)動(dòng)方面的研究主要針對(duì)幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的實(shí)現(xiàn)方面，對(duì)行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD驅(qū)動(dòng)的研究很少，本文給出了行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完整的軟硬件設(shè)計(jì)。

1 面陣CCD圖像采集系統(tǒng)組成
    整個(gè)系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由圖像傳感器、智能電源模塊、時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊、視頻信號(hào)處理模塊和USB傳輸接口等部分組成。系統(tǒng)在上電時(shí)，智能電源模塊產(chǎn)生所需的各種電壓并按不同的順序供給CCD芯片，然后給其它模塊供電。物體透過光學(xué)系統(tǒng)將其影像投影于面陣CCD的感光區(qū)域上，CCD在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將物體的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)傳給視頻信號(hào)處理模塊，視頻信號(hào)處理模塊對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行前置放大、抑制干擾、濾除噪聲以及數(shù)模轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字圖像信號(hào)。轉(zhuǎn)換的數(shù)字圖像信號(hào)經(jīng)USB傳輸接口輸出到電腦上，為后續(xù)CCD信號(hào)的分析處理提供了可靠依據(jù)。系統(tǒng)的核心是時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊，CCD正常工作所需的驅(qū)動(dòng)脈沖、視頻信號(hào)處理模塊所需的采樣控制脈沖、USB傳輸所需的同步信號(hào)以及智能電源模塊上電順序的控制都由時(shí)序產(chǎn)生及驅(qū)動(dòng)模塊提供。

2 行間轉(zhuǎn)移CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)
2．1 ICX098AK芯片
    按電荷包轉(zhuǎn)移方式的不同，面陣CCD可以分為：幀轉(zhuǎn)移型(FT：Frame Transfer)、行間轉(zhuǎn)移型(IT：InterlineTransfer)、幀行間轉(zhuǎn)移型(FIT：Frame Interline Transfer)。攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)最常使用的方式為行間轉(zhuǎn)移方式，行間轉(zhuǎn)移CCD是幀轉(zhuǎn)移CCD的發(fā)展，也是目前市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。在構(gòu)造上，光敏區(qū)每隔一列，就有一列遮光的垂直存儲(chǔ)單元。故而，每次電荷包的讀出轉(zhuǎn)移只需一次并行移動(dòng)即可快速完成，從而有效降低了幀轉(zhuǎn)移型CCD產(chǎn)生的垂直拖影噪聲。行間轉(zhuǎn)移CCD通常具有電子快門功能，且電子快門速度可達(dá)到毫秒級(jí)別，串?dāng)_非常小。
    系統(tǒng)選用Sony公司的ICX098AK芯片作為圖像傳感器，該芯片是一款具有可變電子快門的行間轉(zhuǎn)移型彩色面陣CCD，即使無機(jī)械快門，也能實(shí)現(xiàn)高分辨率全幀圖像轉(zhuǎn)移：具有較低的暗電流與極好的Anti-B1ooming(抗暈光)特征。濾色器為Bayer排列方式。有效像元數(shù)為659(H)×494(V)，像敏單元尺寸為5．6μm(H)×5．6μm(V)。水平驅(qū)動(dòng)頻率為12．27MHz。它有兩種工作模式，逐行掃描模式和隔行掃描模式(監(jiān)控模式)。其寄存器特征及管腳定義如圖2所示。

2．2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析
    不同于幀轉(zhuǎn)移方式，行間轉(zhuǎn)移CCD在構(gòu)造上不需要存儲(chǔ)區(qū)，主要由光電二極管，垂直移位寄存器，水平移位寄存器和輸出放大器組成。ICX098AK的一個(gè)工作周期分為三個(gè)階段：感光階段、讀出階段和轉(zhuǎn)移階段。在場(chǎng)正程期間像敏區(qū)進(jìn)行光積分(感光階段)，這個(gè)期問轉(zhuǎn)移柵為低電平，轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)壘將像敏單元的勢(shì)阱與讀出寄存器的勢(shì)阱隔開。場(chǎng)正程結(jié)束(光積分時(shí)間結(jié)束)后，進(jìn)入場(chǎng)逆程。在場(chǎng)逆程期間轉(zhuǎn)移柵上產(chǎn)生一個(gè)正脈沖即讀出脈沖，將像敏區(qū)的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到垂直寄存器中，轉(zhuǎn)移過程結(jié)束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開。在下一個(gè)場(chǎng)正程期間，一方面感光陣列進(jìn)行光積分，產(chǎn)生新的信號(hào)電荷；同時(shí)在行逆程期間，上一場(chǎng)轉(zhuǎn)移到垂直寄存器的光生電荷在垂直驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下一行行地向水平讀出寄存器中轉(zhuǎn)移。在行正程期間，水平移位寄存器受水平驅(qū)動(dòng)脈沖的控制快速地將電荷包經(jīng)輸出放大器串行輸出。在輸出端得到與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的一行行的視頻信號(hào)。
2．3 基于CPLD的CCD時(shí)序發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)
    面陣CCD器件應(yīng)用最重要的環(huán)節(jié)是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。CCD芯片所對(duì)應(yīng)的原廠生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)芯片雖然集成度高、可靠性好，但是價(jià)格昂貴且功能固定、通用性較差。本系統(tǒng)選用高速度、多端口的可編程邏輯器件CPLD作為面陣CCD的時(shí)序發(fā)生器，通過硬件描述語言VHDL，的輸入方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字時(shí)序的多端口并行且高相位精度的輸出，不僅有效地控制了產(chǎn)品開發(fā)的成本，而且極大的提高了同類型產(chǎn)品開發(fā)的效率。
    CCD驅(qū)動(dòng)程序采用MCK時(shí)鐘(12．27MHz)3倍頻作為唯一的系統(tǒng)時(shí)鐘，通過兩個(gè)內(nèi)外循環(huán)嵌套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)：行逆程的垂直轉(zhuǎn)移和行正程的水平輸出構(gòu)成內(nèi)循環(huán)；場(chǎng)周期即為外循環(huán)。兩個(gè)循環(huán)過程都是通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的分頻、計(jì)數(shù)與組合生成所需的驅(qū)動(dòng)時(shí)序。
    選用復(fù)雜可編程邏輯器件EPM7128SLC-84-10作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，并在Maxplus II軟件設(shè)計(jì)環(huán)境下進(jìn)行了時(shí)序仿真，得到了完全符合ICX098AK設(shè)計(jì)要求的時(shí)序波形，如圖3所示。

3 視頻信號(hào)處理模塊
    視頻信號(hào)處理模塊是連接CCD輸出和后端數(shù)字處理的橋梁，是決定圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，也是調(diào)試中的一個(gè)難點(diǎn)。其主要功能有：線性放大、直流箝位、相關(guān)雙采樣、低通濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換。如果這些功能都采用分立元件來實(shí)現(xiàn)，則有電路復(fù)雜、成本高、調(diào)試?yán)щy等缺點(diǎn)。因此，系統(tǒng)采用了CCD信號(hào)專用處理芯片CXA2006Q和CXD2310AR來完成對(duì)CCD輸出信號(hào)的處理。
3．1 相關(guān)雙采樣技術(shù)
    由于CCD輸出的原始視頻信號(hào)中，除包含有幅值很小的有效視頻電壓信號(hào)(一般只有幾百毫伏)外，還混雜有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾，致使有效的視頻信號(hào)常常淹沒在噪聲中。相關(guān)雙采樣(CDS)就是根據(jù)CCD輸出信號(hào)和噪聲信號(hào)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)，它能消除復(fù)位噪聲的干擾，可以顯著改善信噪比，提高信號(hào)檢測(cè)精度。CDS采用兩級(jí)高速采樣保持器(S／H)，一級(jí)用來采集復(fù)位電平，即在復(fù)位脈沖過去之后至信號(hào)電荷包到來之前某一時(shí)刻的電平；另一級(jí)用來采集像元信號(hào)電平，即在水平時(shí)鐘串?dāng)_后到信號(hào)電荷到來前的某一時(shí)刻電平：然后將兩次采集的電平進(jìn)行差分比較，就得到了實(shí)際的信號(hào)電平。
    系統(tǒng)選用Sony公司的CXA2006Q作為前端放大器，其采用相關(guān)雙采樣技術(shù)CDS(correlated double sampling)提取圖像信息，內(nèi)部集成有CCD信號(hào)AGC(自動(dòng)增益控制)控制范圍可以達(dá)到8dB～38dB，具有良好的輸入信號(hào)鉗位和CDS輸入偏移校正性能， 并提供暗電平鉗位給出準(zhǔn)確的暗電平參考，同時(shí)為A／D提供精確的參考電平。圖4為示波器上觀察到的CCD輸出的原始視頻信號(hào)經(jīng)CXA2006Q去噪后的純凈視頻信號(hào)。

3．2 模數(shù)轉(zhuǎn)換
    前端放大器CXA2006Q的輸出是模擬信號(hào)，為便于數(shù)據(jù)壓縮和傳輸，需要把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)選用Sony公司低功耗高精度的CXD2310AR作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它是一款逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器，分辨率為10bit，最高采樣頻率20MSPS，最大功耗為1 50mW，最大采樣延時(shí)6ns。CXD2310AR在采樣脈沖控制下把模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻信號(hào)，并按規(guī)定的格式驅(qū)動(dòng)輸出。

4 智能電源模塊
    面陣CCD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)是能夠提供穩(wěn)定的多電壓，且各電壓上電順序可控的智能電源模塊的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)上電順序的控制有多種方式，比較典型的方式是利用晶體管做開關(guān)，由外部控制電平作為控制輸入。利用CPLD的輸出來控制三極管的基極，雙極型線性穩(wěn)壓器MC34063升壓(降壓)后的輸出接PNP三極管的射極。經(jīng)試驗(yàn)證明，選用MC34063輸出的電壓會(huì)隨負(fù)載的變化而不穩(wěn)定且電壓紋波較大，進(jìn)而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路造成較大的干擾。因而采用Maxim公司的MAX685芯片，本芯片專為面陣CCD上電控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有兩個(gè)獨(dú)立的正負(fù)電壓輸出端口；可選擇的上電順序以及邏輯電平控制上電開關(guān)；其工作頻率可以和外頻率同步，并有輸出正常標(biāo)志電平(POK)，易于實(shí)現(xiàn)反饋控制。同時(shí)采用MAX687為CPLD及視頻信號(hào)處理電路提供3．3V的穩(wěn)定電壓。

5 結(jié)論
    在分析行間轉(zhuǎn)移面陣CCDICX098AK驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上，完成了驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的軟硬件設(shè)計(jì)。采用專用視頻處理芯片對(duì)CCD原始模擬信號(hào)進(jìn)行去噪、量化，運(yùn)用USB2．O的傳輸接口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的高速傳輸，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)用VHDL語言進(jìn)行硬件編程，簡化了硬件開發(fā)的難度和復(fù)雜度，減小了系統(tǒng)的體積和功耗，滿足CCD采集系統(tǒng)向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要。