新型數(shù)字CCD相機(jī)及其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡設(shè)計(jì)

來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：宋志平 洪 津 喬延利 錢 偉 周文勤 摘要：以ｄａｌｓａ 公司的ｃａ－ｄ７－１０２４ｔ數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)為例，詳細(xì)討論了數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)的接口信號(hào)及其時(shí)序關(guān)系；研究了數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)圖像傳輸卡的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了傳輸卡的電路原理及各部分的實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：ccd相機(jī)fgpa 圖像數(shù)據(jù)傳輸卡 pci總線隨著ｃｃｄ技術(shù)的發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型ｃｃｄ相機(jī)不斷出現(xiàn)。ｃｃｄ相機(jī)輸出的數(shù)字化，簡化了相機(jī)與傳輸采集系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，使數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)正越來越多地成為實(shí)時(shí)ｐｃｉ控制、數(shù)據(jù)采集、圖形圖像處理、遙感遙測(cè)等系統(tǒng)中的探測(cè)器。這種ｃｃｄ相機(jī)多采用幀轉(zhuǎn)移型體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換速度快，量化精度、量子效率高。準(zhǔn)確理解相機(jī)的接口信號(hào)及其時(shí)序關(guān)系，掌握其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的原理及實(shí)現(xiàn)方法，可大大拓寬數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性。 １ 數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)及其接口技術(shù)在本系統(tǒng)中使用ｄａｌｓａ公司生產(chǎn)的ｃａ－ｄ７－１０２４ｔ數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)。該相機(jī)是一種幀轉(zhuǎn)移型的ｃｃｄ相機(jī)，相機(jī)的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機(jī)內(nèi)部采用了相關(guān)雙采樣（ｃｄｓ）、垂直反暈（ｖａｂ）等技術(shù)，大大提高了相機(jī)的成像品質(zhì)。相機(jī)輸出經(jīng)過采樣、量化的數(shù)據(jù)，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４ｈｚ，電子快門。相機(jī)內(nèi)部由ｃｃｄ圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)器、定時(shí)器、ａ／ｄ轉(zhuǎn)換等模塊組成。其接口信號(hào)分為兩類：用戶總線接口信號(hào)和數(shù)據(jù)總線接口信號(hào)。用戶總線接口信號(hào)包括： ·ｅｘｓｙｎｃ?觸發(fā)幀讀出信號(hào)，是必備信號(hào)。當(dāng)ｅｘｓｙｎｃ固定接低電平時(shí)，相機(jī)以最大幀速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)ｅｘｓｙｎｃ正負(fù)交替時(shí)，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。 ·ｐｒｉｎ?像元復(fù)位信號(hào)，為可選信號(hào)。在兩次ｅｘｓｙｎｃ有效之間復(fù)位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時(shí)間。ｐｒｉｎ低有效，在其上升沿開始有效曝光。如果ｐｒｉｎ固定接高電平，積分時(shí)間最大；如果ｐｒｉｎ被固定接低電平，探測(cè)器收集不到任何圖像信息。 ·ｂｉｎ?像元合并信號(hào)，也是可選信號(hào)，可以控制像元合并。像元合并后會(huì)降低相機(jī)的空間分辨率，但會(huì)增強(qiáng)探測(cè)器對(duì)光的敏感性。ｂｉｎ信號(hào)高有效，不用時(shí)將其接為低電平。 以上信號(hào)均由應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生，送給相機(jī)，為應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)定相機(jī)的工作模式提供了手段。 數(shù)據(jù)總線接口信號(hào)為相機(jī)輸出信號(hào)，包括： ·ｄａｔａ０～１１?１２位數(shù)據(jù)總線。ｄａｔａ０～１１是相機(jī)輸出的、分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)某個(gè)像元灰度的１２位圖像數(shù)據(jù)。 ·ｓｔｒｏｂｅ?像元時(shí)鐘信號(hào)。ｓｔｒｏｂｅ是圖像數(shù)據(jù)的像元時(shí)鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無效，ｓｔｒｏｂｅ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，傳輸卡應(yīng)在ｆｖａｌ和ｌｖａｌ為高電平時(shí)，在ｓｔｒｏｂｅ的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。 ·ｆｖａｌ?幀同步信號(hào)。ｆｖａｌ高電平表明相機(jī)正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。 ·ｌｖａｌ?行同步信號(hào)。當(dāng)ｆｖａｌ為高電平時(shí)，ｌｖａｌ高電平表明相機(jī)正輸出一個(gè)有效的像元行。在兩個(gè)有效行之間，ｌｖａｌ會(huì)變低跳過幾個(gè)無效的像元，跳過的像元數(shù)取決于相機(jī)的型號(hào)和預(yù)觸發(fā)設(shè)定。 圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正是利用這些接口信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號(hào)的抗干擾能力，所有這些接口信號(hào)均按ｒｓ４２２規(guī)范?以差分方式在數(shù)字相機(jī)和圖像傳輸卡間進(jìn)行傳輸，傳輸電纜為１００ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機(jī)接口信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。 當(dāng)ｐｒｉｎ由低電平向高電平跳變時(shí)，相機(jī)開始曝光。達(dá)到設(shè)定的曝光時(shí)間后，使ｅｘｓｙｎｃ信號(hào)變低，觸發(fā)幀讀出。此時(shí)相機(jī)首先進(jìn)行幀轉(zhuǎn)移，幀轉(zhuǎn)移一結(jié)束，輸出信號(hào)ｆｖａｌ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開始，ｌｖａｌ由低變高表示相機(jī)正輸出有效像元行。當(dāng)ｆｖａｌ和ｌｖａｌ再一次變低時(shí)，表示一幀數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，可以開始第二次觸發(fā)幀讀出（使ｅｘｓｙｎｃ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉(zhuǎn)移結(jié)束后與第二次幀讀出啟動(dòng)前這段時(shí)間進(jìn)行，曝光時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。２ 數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 在應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的主要任務(wù)是產(chǎn)生相機(jī)工作所需的輸入信號(hào)，解譯相機(jī)的輸出信號(hào)，使相機(jī)在電控方式下工作?并實(shí)時(shí)、正確地抓取相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)，在相機(jī)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間建立硬件傳輸通道。為了適應(yīng)數(shù)字ｃｃｄ相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，早期基于ｉｓａ總