通用線陣CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)設(shè)計(jì)微型光譜儀時(shí)常會(huì)根據(jù)需要更換CCD，PDA的現(xiàn)狀，采用Cypress公司的AD21310和Cyclone系列FPGA設(shè)計(jì)適用于多種線陣CCD和小型面陣CCD的通用采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)16口入8口出異步FIFO。提供192 Kb高速緩存空間。USB器件采用快速讀入方式，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種線陣CCD采集，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了相關(guān)雙采樣技術(shù)，具有快速、便捷、模塊化的特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；CCD；FIFO；USB


1 引言
　　隨著微型光譜儀快速發(fā)展，CCD和PDA廣泛使用，CCD和PDA的種類型號(hào)越來(lái)越多，每種型號(hào)都需要專門的驅(qū)動(dòng)采集板，使得開發(fā)產(chǎn)品周期長(zhǎng)、費(fèi)用大。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD，并上傳至PC機(jī)，使用軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。

2 通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)部署圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件分為接口板、通用驅(qū)動(dòng)采集板、計(jì)算機(jī)。接口板匹配驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將CCD輸出視頻信號(hào)通過(guò)前置處理后鏈接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，按幀暫存在FPGA內(nèi)的FIFO中，通過(guò)USB快速塊傳輸模式上傳到計(jì)算機(jī)中．最后計(jì)算機(jī)軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。




　　

　　通用性是由通用CCD驅(qū)動(dòng)模塊和16In8Out異步FIFO實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)不同類型的CCD編制不同的CCD驅(qū)動(dòng)模塊，采用16In8Out異步FIFO，F(xiàn)IFO根據(jù)CCD驅(qū)動(dòng)模塊提供的FS幀同步來(lái)確定暫存A／D轉(zhuǎn)換一幀像元數(shù)，實(shí)現(xiàn)了采集A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與USB傳輸?shù)姆蛛x，在修改或升級(jí)CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，無(wú)需修改采集和數(shù)據(jù)輸出代碼，實(shí)現(xiàn)了通用性。
2．1 CCD接口板
　　由于大多數(shù)CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同。CCD接口板提供CCD插座和轉(zhuǎn)接CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及輸出信號(hào)電壓匹配。CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。
2．2 通用驅(qū)動(dòng)采集板
　　通用驅(qū)動(dòng)采集板由A／D轉(zhuǎn)換、FPGA(通用CCD驅(qū)動(dòng)器模塊和16In8Out異步FIFO模塊)、USB 3部分組成。A／D轉(zhuǎn)換部分完成系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換；FPGA部分完成系統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、CDS實(shí)現(xiàn)；USB部分完成數(shù)據(jù)的傳輸。
2．2．1 A／D轉(zhuǎn)換部分
　　系統(tǒng)需采集多種CCD并實(shí)現(xiàn)CDS，而且系統(tǒng)主要由USB供電，這就要求A／D轉(zhuǎn)換速度快，供電電壓低，最好參考電壓內(nèi)置。AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列，采用3 V單電源供電，該系列均內(nèi)置一個(gè)高性能采樣保持放大器(SHA)和基準(zhǔn)電壓源。AD923540采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在40 MSP／S數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供12位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼。
　　FPGA中采集信號(hào)發(fā)生器提供A／D采集時(shí)鐘，同時(shí)也控制FIFO和CCD驅(qū)動(dòng)器。A／D采樣速率不再受數(shù)據(jù)傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配。并可實(shí)現(xiàn)1幀內(nèi)1個(gè)像元的雙采樣，從而實(shí)現(xiàn)CDS。
2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅(qū)動(dòng)器模塊
　　由于不同生產(chǎn)商的CCD器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序往往差別很大，因此需針對(duì)每種CCD器件編制其CCD驅(qū)動(dòng)器模塊。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號(hào)發(fā)生器提供，如圖2所示。

 



　　CCD驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)由兩路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和積分時(shí)間控制信號(hào)INT組成；輸出信號(hào)由幀同步信號(hào)FS和CCD Driver信號(hào)組成。不同的CCD驅(qū)動(dòng)器模塊僅CCD Driver信號(hào)有所不同，其他接口一樣。在改變CCD時(shí)只需替換CCD驅(qū)動(dòng)器模塊即可。
2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO
　　FIFO用于暫存A／D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后，將FIFO中的1幀數(shù)據(jù)通過(guò)快速塊傳輸上傳至計(jì)算機(jī)。1幀的像元個(gè)數(shù)由CCD驅(qū)動(dòng)模塊提供的FS信號(hào)決定。FIFO內(nèi)的存儲(chǔ)空間為192 Kb。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內(nèi)部原理圖。





　　圖3中，F(xiàn)S是幀同步，在FIFO中重置暫存指針，DataIN是暫存數(shù)據(jù)采集完畢信號(hào)，DataRdy是判斷USB是否空閑信號(hào)，ADclk是FIFO的寫信號(hào)，16BitIN是FIFO的讀16位入口，讀取A／D信號(hào)，這里兼容16位，本設(shè)計(jì)只用12位，其他4位空閑。8BitOUT是FIFO的8位輸出口，RD是FIFO的讀出時(shí)鐘信號(hào)。在FIFO中讀入的16位信號(hào)分高低位分別存儲(chǔ)在2個(gè)8 bit存儲(chǔ)器中，在輸出時(shí)，按先高后低的順序輸出，從而完成16In8Out的轉(zhuǎn)換，部分實(shí)現(xiàn)代碼如下：
 

　　

　　在信號(hào)FS的控制下，F(xiàn)IFO不斷地對(duì)整幀信號(hào)進(jìn)行刷新，當(dāng)USB傳輸信號(hào)到來(lái)時(shí)，刷新當(dāng)前幀完畢后，開始USB快速讀入操作。
2．2．4 USB部分
　　USB采用Cypress公司的AD2131Q，其核提供一種快速傳輸模式．改進(jìn)8051的外部邏輯與同步／塊端點(diǎn)緩沖器之間的傳輸速度。將FASTXFR寄存器設(shè)置為01010000B，讀寫選通時(shí)序模式為10，提供更寬的脈沖寬度，便于讀取FPGA的異步FIFO信號(hào)。FIFO存儲(chǔ)滿1幀數(shù)據(jù)，由USB器件使用快速塊傳輸上傳到計(jì)算機(jī)，約6 ms完成。表1為塊傳輸傳一個(gè)像元數(shù)據(jù)所用匯編程序?qū)Ρ取?

 



2．3 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)主要包括3方面工作：USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用處理軟件設(shè)計(jì)。
2．3．1 USB驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
　　EZ-USB提供的FPD(通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序)是一個(gè)通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和編譯驅(qū)動(dòng)程序，生成文件ezusb.sys。具體操作如下：①修改驅(qū)動(dòng)程序的PID。在工程里EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不變，PID自行設(shè)定。②利用hex2c.exe將USB固件Intel HEX記錄格式的代碼文件轉(zhuǎn)換為C文件，打開該C文件，用其中的firmware[]數(shù)組代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的數(shù)組。③編譯生成ezusb.sys文件并編寫相應(yīng)的INF文件。
2．3．2 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)設(shè)計(jì)
　　動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)主要是通過(guò)I／O控制調(diào)用來(lái)訪問(wèn)EZ-USBGPD。通過(guò)調(diào)用CreateFile()來(lái)取得訪問(wèn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制碼，從而完成USB的控制和輸入／輸出操作。
2．3．3 應(yīng)用處理軟件設(shè)計(jì)
　　應(yīng)用軟件通過(guò)訪問(wèn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)獲取采集譜線數(shù)據(jù)，其主要功能有顯示、設(shè)置積分時(shí)間、定格譜線、保存、捕捉、局部放大、添加譜線。

3 測(cè)試結(jié)果
　　采用通用CCD采集系統(tǒng)分別對(duì)3款CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和采集。這3種CCD的參數(shù)如表2所示。使用應(yīng)用軟件EMSpectro采集上述CCD譜線，采集效果如圖4所示。





4 結(jié)束語(yǔ)
　　采用該系統(tǒng)對(duì)3種不同型號(hào)CCD成功驅(qū)動(dòng)并采集，測(cè)試結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。系統(tǒng)體積小、功耗低、兼容性好、可擴(kuò)展性高。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)CCD相關(guān)項(xiàng)目中。