基于USB的高清彩色CCD圖像采集系統(tǒng)

摘要：提出一種基于USB的彩色CCD高清圖像采集系統(tǒng)設(shè)計方案。圖像數(shù)據(jù)的來源采用的是SONY公司的ICX205AK芯片，結(jié)合USB2．0接口，復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD設(shè)計了一個高速的彩色CCD圖像采集系統(tǒng)。文中詳細闡述了系統(tǒng)內(nèi)不同模塊的硬件電路設(shè)計思路和軟件運行流程。整個系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、CCD傳感器、A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、CPLD控制器、USB2．0高速接口、上位機控制程序等各個部分組成。本系統(tǒng)的硬件電路可以協(xié)調(diào)正常工作完成分辨率為140萬的高清圖像采集，最高采集幀率達7．5 frame／s。
關(guān)鍵詞：CCD；圖像采集；ICX205AK；USB2．0；CPLD

    隨著時代的進步，科技的發(fā)展，數(shù)字圖像的采集與處理在科技研究，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天，軍事對抗等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。所以，對圖像采集系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值。筆者提出了一種基于USB的彩色CCD高清圖像采集系統(tǒng)。CCD中文名稱為電荷耦合器件，它是20世紀70年代迅速發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體探測器件，可把自然圖像轉(zhuǎn)換為電信號，具有動態(tài)范圍大、電荷轉(zhuǎn)移效率高、低噪聲輸出、分辨率高、工作頻率高等優(yōu)點。USB即Universal Serial Bus，是通用串行總線的簡稱，這是由七家主要的計算機與電子科技大廠于1994年所研發(fā)和制定的一種串行總線協(xié)議。本采集系統(tǒng)具有以下特點：數(shù)據(jù)傳輸采用USB2．0高速傳輸接口；整個系統(tǒng)由USB接口供電，無需外加額外的電源；系統(tǒng)可實現(xiàn)140萬的高清圖像采集；圖像采集的速度最高達7．5 frame／s。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1．1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
    本系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)由電源系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、圖像傳感器，A／D轉(zhuǎn)換器、CPLD控制器、USB2．0高速接口、上位機PC以及控制程序等各個部分組成。電源模塊負責(zé)給整個系統(tǒng)供電，電源模塊的輸入是USB總線提供的5 V電源，進行DC—DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生兩路CCD驅(qū)動所需要的電源：15 V、-8 V。其他模塊的供電采用統(tǒng)一的3．3 V。圖像傳感器采用的是SONY公司的CCD ICX205AK，它是一款1／2英寸、145萬有效像素的CCD傳感器，每秒能夠輸出145萬有效像素的圖像7．5幀。A／D轉(zhuǎn)換器負責(zé)將CCD輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號，采用的是ADI公司的AD9824，它是一款完善的CCD信號處理器。CPLD控制器產(chǎn)生CCD和AD工作所需要的時序，同時須實時接收USB總線發(fā)送過來的控制信息，并根據(jù)接收到的參數(shù)實現(xiàn)圖像的曝光時間和白平衡等調(diào)整。USB2．0高速接口是整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的“交通要道”，對系統(tǒng)中高速圖像信號采集，上位機與硬件電路之間通信等方面起著至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)采用Cypress公司的USB2．0控制器CY7C68013A，CY7C68013A芯片內(nèi)部包含USB2．0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、增強型8051內(nèi)核、16KB RAM、4KB FIFO存儲器、I／O接口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程接口，硬件資源非常豐富。根據(jù)系統(tǒng)的要求，并考慮到系統(tǒng)的成本，本系統(tǒng)采用Altera公司的MAX 3000A系列產(chǎn)品中封裝為TQFP 100的EPM3128 ATCl00-10N芯片作為系統(tǒng)的控制中心。該芯片有2500個系統(tǒng)門，128個宏單元，最大支持80個用戶I／O，且功耗低。

1．2 CCD驅(qū)動電路設(shè)計
    圖2為CCD驅(qū)動電路。由于ICX205AK垂直移位寄存器不能直接使用TTL電平驅(qū)動，所以需要引入CCD驅(qū)動電路部分，對CPLD生成的各種轉(zhuǎn)移脈沖信號進行功率放大，以滿足CCD對驅(qū)動波形電壓及電流以及時序的要求。驅(qū)動信號的好壞會對CCD的電荷轉(zhuǎn)移效率產(chǎn)生較大的影響，從而影響成像的質(zhì)量。本設(shè)計采用的是與ICX205AK相配套的垂直時鐘驅(qū)動芯片CXD1267AN，將原本為TTL電平的V1，V2A，V2B，V3和SUB信號轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的電平。其中V1，V3要求為-8V／0 V兩個等級，V2A，V2B要求為-8 V／0 V／+15 V3個等級，SUB為-8 V／+15 V兩個等級。引入XSG1，XSG2兩個時序信號，用于控制CXD1267AN生成垂直移位時鐘信號V2A＼V2B，實現(xiàn)感光陣列中的電荷信號轉(zhuǎn)移到移位寄存器。H1，H2水平寄存器轉(zhuǎn)移時鐘，用于控制水平移位寄存器的電荷信號的順序移出，其頻率直接決定CCD信號輸出的頻率。

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1．3 高速USB2．0接口設(shè)計
    圖3為高清圖像采集系統(tǒng)的核心傳輸鏈路，USB2．0高速接口。因為圖像采集系統(tǒng)要求將數(shù)據(jù)高速而準確地傳入PC端，故本系統(tǒng)采用Sla ve FIFO模式，圖像不經(jīng)FX2LP的CPU處理，直接通過從屬端點FIFO將數(shù)據(jù)高速傳入PC端。

    圖3中，IFCLK為Slave FIFO的接口時鐘。Slave FIFO接口時鐘信號既可由內(nèi)部提供，也可由外部提供。如果FX2LP設(shè)置為使用外部時鐘源，則IFCLK引腳可被用來提供5～48 MHz之間的任何頻率的時鐘信號。當(dāng)IFCLK被設(shè)置為輸入時，最小頻率為5 MHz。FIFOADR[1：0]引腳用來選擇EP2、EP4、EP6和EP8中的一個FIFO與數(shù)據(jù)總線FD連接。FULL和EMPTY引腳分別是FIFO的滿狀態(tài)和空狀態(tài)標志，通過配置CY7C68013A內(nèi)部的相關(guān)寄存器可使得當(dāng)FIFO滿狀態(tài)或者空狀態(tài)的時候向外部控制器發(fā)送相應(yīng)的標志。SLWR引腳是寫FIFO控制信號，當(dāng)SLWR被激活時，數(shù)據(jù)總線FD上的數(shù)據(jù)在每個時鐘信號IFCLK上升沿到來時被寫入FIFO。
    INT1和PAUSE信號是為了協(xié)調(diào)高清圖像數(shù)據(jù)正常發(fā)送而引入的額外信號。系統(tǒng)中CCD圖像傳感器輸出的模擬信號經(jīng)AD9824采樣后輸出14 bit數(shù)字信號，但數(shù)據(jù)中不包含圖像幀頭信息。為使主機應(yīng)用程序能夠準確和完整地分離出圖像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計方法是在EZ-USB FX2LP的INT1中斷服務(wù)程序中為每一幀圖像加入特定的幀頭。在EZ-USB在往FIFO里面寫入幀頭的過程中，不允許CPLD繼續(xù)讓AD向FIFO傳送數(shù)據(jù)，從而引入了PAUSE信號通知CPLD暫停傳送數(shù)據(jù)的操作。
    本系統(tǒng)采用的模擬轉(zhuǎn)換器AD9824是一款14bits的高效CCD信號處理器，而FD[15：0]是16位的數(shù)據(jù)總線，在設(shè)計過程中，我們將高位數(shù)據(jù)線接地，低14位數(shù)據(jù)線接AD9824數(shù)據(jù)并行輸出數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
2．1 AD相關(guān)雙采樣
    相關(guān)雙采樣(CDS)通過對每一個CCD像素點輸出信號采樣兩次來消除低頻噪聲的影響，它是根據(jù)CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設(shè)計。圖4為相關(guān)雙采樣時序圖，圖中詳細的指出了相關(guān)采樣的時序要求。CCD每個像元的輸出周期都以復(fù)位脈沖信號開始T1，先清除前一個像素的電荷，以等待下一像素電荷的到來。此時的輸出信號被嵌入復(fù)位電平，并產(chǎn)生復(fù)位噪聲；在圖中T2期間，由于復(fù)位MOSFET漏電流的影響，復(fù)位電平有微小下降，這種現(xiàn)象稱為復(fù)位失調(diào)電壓。此時的輸出信號為復(fù)位電平與復(fù)位噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓的疊加；在T3期間，CCD電荷進行水平轉(zhuǎn)移，此時混入移位時鐘干擾；T4期間的輸出為復(fù)位噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓和有用光敏輸出信號的疊加。所以相關(guān)雙采樣的原理就是在T2和T4時刻對同一像素點的輸出信號進行采樣，然后將兩次采樣值相減就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾，得到信號電平的實際有效幅值。本系統(tǒng)選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9824內(nèi)部具有相關(guān)雙采樣電路，系統(tǒng)實現(xiàn)過程中就是EPM3128產(chǎn)生如圖4所示的SHP、SHP、DATACLK采樣信號，即可完成相關(guān)雙采樣邏輯，很大程度降低了圖像數(shù)據(jù)中包含的噪聲信號。

2．2 USB固件程序設(shè)計
    在USB接口設(shè)計中，USB固件編程是整個設(shè)計任務(wù)的核心。USB固件程序用于完成USB設(shè)備的識別、重列舉、設(shè)備請求、USB協(xié)議處理、外部硬件的功能、負責(zé)與USB主機之間的數(shù)據(jù)通信等。固件的設(shè)計就是使在USB總線上的傳輸能獲得最大的有效的數(shù)據(jù)傳輸速度。
    設(shè)備上電之后，就會按照如下的步驟執(zhí)行固件：
    1)初始化架構(gòu)全局變量；
    2)調(diào)用TD_Init()初始化FX2LP芯片，調(diào)用用戶自定義的初始化函數(shù)，返回后USB設(shè)置為未配置狀態(tài)，并打開中斷；
    3)在緊接著的1秒內(nèi)，重新枚舉USB設(shè)備，直到收到SETUP封包；
    4)檢查設(shè)備請求，有請求則執(zhí)行相應(yīng)的功能，有的需要跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)函數(shù)；
    5)檢查總線掛起事件，沒有掛起事件則執(zhí)行9)；
    6)調(diào)用TD_Suspend()，返回失敗代碼則執(zhí)行9)；
    7)掛起處理器；
    8)檢查重新開始事件，事件發(fā)生則調(diào)用TD_Resume()，否則執(zhí)行7)；
    9)調(diào)用TD_Poll，函數(shù)返回到4)并執(zhí)行。[!--empirenews.page--]
    固件框架流程如圖5所示。

    由于AD9824傳送過來的每一幀圖像都是連續(xù)的，也就是不包含幀頭信息。本系統(tǒng)采取的做法是在一幀數(shù)據(jù)到來的時候，CPLD控制器會給CY7C68013A一個中斷信號。中斷服務(wù)程序所要做的工作就是清空FIFO里面的數(shù)據(jù)，并往FIFO里面寫入512個字節(jié)的幀頭(0xFF)數(shù)據(jù)。這樣做的目的是保證上位機能夠正確的識別每一幀數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)程序流程圖如圖6所示。

2．3 上位機程序設(shè)計
    本系統(tǒng)的上層應(yīng)用程序使用VC++6．0軟件進行編程，采用多線程、雙緩沖區(qū)等技術(shù)實現(xiàn)動態(tài)圖像的實時顯示。
    在圖像采集系統(tǒng)中，主要有3個功能模塊：圖像數(shù)據(jù)采集模塊、圖像數(shù)據(jù)處理模塊、圖像顯示模塊。如果采用單線程方法，則工作過程為：先進行數(shù)據(jù)采集，采集完成后對數(shù)據(jù)進行處理，最后將處理后的數(shù)據(jù)進行顯示。由于這3個功能模塊不能同時進行，會造成了CPU的利用率低，限制傳輸幀速率的提高，導(dǎo)致系統(tǒng)的整體效率大大降低。
    為了提高運行效率，本應(yīng)用程序設(shè)計時采用多線程并行處理的方法，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理與圖像顯示分別放在3個線程里進行。從圖7中可以很明顯看出單線程與多線程的區(qū)別。

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    在圖像數(shù)據(jù)采集模塊中，一種數(shù)據(jù)采集方法是串行處理，如圖8所示。

    這種結(jié)構(gòu)易于實現(xiàn)，但存在著明顯的不足；效率低下，不適合實時性要求高的場合。
    為了進一步提高圖像采集的實時性，在應(yīng)用程序開發(fā)時設(shè)計了雙緩沖區(qū)交替采集處理的工作方式，如圖9。周期T時應(yīng)用程序采集數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)1，同時處理緩沖區(qū)2中的數(shù)據(jù)；周期T+1時應(yīng)用程序采集數(shù)據(jù)到緩沖區(qū)2，同時處理緩沖區(qū)1中的數(shù)據(jù)。如此反復(fù)交替，可以顯著提高數(shù)據(jù)采集效率。

    系統(tǒng)測試結(jié)果表明，與普通的但緩沖區(qū)單線程結(jié)構(gòu)相比，這種雙緩沖區(qū)多線程結(jié)構(gòu)可以顯著提高圖像傳輸?shù)膸俾省?br />
3 系統(tǒng)測試
    通過USB2．0電纜將設(shè)備連接到裝有Windows XP系統(tǒng)PC機上面，PC機上面運行采集軟件進行圖像采集。如果圖像模糊不清，可以通過調(diào)節(jié)設(shè)備的鏡頭焦距，使得圖像能夠正確對焦。圖10是整機調(diào)試的環(huán)境。圖中采集到的圖像數(shù)據(jù)為CCD的原始并未做處理的有效數(shù)據(jù)。圖像的分辨率為1 360x1 024約等于140萬像素。最快可以實現(xiàn)7．5 frams／s的采集速率。

4 結(jié)論
    本文設(shè)計了一個基于USB的彩色CCD圖像采集系統(tǒng)，系統(tǒng)采用USB總線供電且能穩(wěn)定工作，采集到140萬的高清彩色圖像，并最快能實現(xiàn)7．5 frame／s的動態(tài)圖像采集。文章從硬件方面詳細的敘述了整個系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，CCD驅(qū)動電路的設(shè)計以及高速USB2．0接口的設(shè)計方案。軟件方面闡述了AD相關(guān)雙采樣，USB固件程序的設(shè)計框架以及上位機多線程、雙緩沖的設(shè)計思路?？傊鞠到y(tǒng)的設(shè)計方法對基于USB的圖像采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計都具有重要的參考價值。