基于XRD4460的CCD視頻信號處理電路的設計

1引言

CCD(Charge Coupled Device)電荷耦合器件是20世紀70年代發(fā)展起來的一種新型半導體大規(guī)模集成光電器件。由于它在圖像信息的攝取、記錄方面獨具特色，同時又具有體積小、功耗小、分辨率高、靈敏度高、可靠性好等諸多優(yōu)點，因此在科學、天文、工業(yè)等領域有廣泛的應用。

CCD輸出的視頻信號中除了有用的圖像信號外，還包括很高的直流分量和噪聲。若不進行處理，將嚴重影響傳感器的圖像質量，因此CCD視頻信號的噪聲處理十分重要。CCD視頻信號處理的目的就是盡可能地消除各種噪聲和干擾，但又不能損失圖像細節(jié)；并且保證在CCD的動態(tài)范圍內圖像信號隨著目標亮度成線性變化，同時為了便于計算機處理和大容量存儲，還必須對CCD輸出信號進行數(shù)字化處理^[1]。這些功能若由分立電路實現(xiàn)，則電路復雜、調試不方便、價格昂貴、功耗大等缺點是顯而易見的，這與CCD相機向著功能更強大、性能更完善、價格更便宜、功耗更低的發(fā)展趨勢是相悖的。隨著微電子技術的發(fā)展，為了解決CCD視頻信號噪聲處理問題，許多公司（Exar,Kodak,Burr-Brown,TI等）相繼開發(fā)了功能齊備的專用CCD視頻信號處理芯片，將各種功能電路集成在一塊芯片上，這樣不僅大大簡化了信號處理電路，降低了CCD相機設計復雜度，而且使CCD相機的功能更強大，性能更優(yōu)越。

本文主要分析了專用CCD視頻信號處理芯片XRD4460的功能及特點，并在此基礎上設計了基于XRD4460的CCD視頻信號處理電路。

2 XRD4460的特點及功能

XRD4460是Exar公司推出的專用CCD視頻信號處理芯片。它帶

有一個1O位A／D轉換器，最高采樣速率高達16MHz，內置高帶寬的差分相關雙采樣器(CDS)和8位的數(shù)字可編程增益放大器(PGA)。模擬偏移量可控制，差分信號輸入，差分外部時鐘，片內帶有輸入緩存和采樣／保持器，1O位并行數(shù)據輸出。由于其功能強大、性能優(yōu)越、功耗低、體積小等優(yōu)點，因而廣泛用于數(shù)字攝像機、數(shù)字靜態(tài)相機和PC錄像會議相機等數(shù)字成像系統(tǒng)中。XRD4460的功能框圖如圖1所示，其功能主要包括。

（1） 相關雙采樣（CDS，correlated double sampling）：CCD輸出信號中的主要有光子噪聲、陷阱噪聲、暗電流噪聲、復位噪聲。其中光子噪聲、陷阱噪聲是由器件和工藝造成的，不易處理，而暗電流噪聲與器件的環(huán)境溫度有關，所以信號處理電路主要對復位噪聲（亦稱KTC噪聲）進行抑制^[2]。為了降低復位噪聲，XRD4460采用了相關雙采樣技術。相關雙采樣的原理是由于復位噪聲表現(xiàn)在同一像素周期內近似常數(shù)（即具有相關性），但是對于不同的像素周期是隨機變化的。所以，只要在同一像素周期內的暗電平參考區(qū)間和信號電平區(qū)間進行兩次采樣，那么這兩次采樣的復位噪聲是相關的，將兩個采樣電平經差動放大器輸出，得到的信號就是真實的視頻信號。這一過程把與參考電平和信號電平都相關的復位噪聲濾除了，而且對低頻噪聲也有一定的濾除效果^[3]。

（2）可編程增益控制PGA (programmable gain amplifier)： 輸入到ADC的視頻信號的電壓是由CCD輸出信號的電壓和信號處理的系統(tǒng)增益、偏置決定的。因為CCD輸出信號的大小隨著入射照度的強弱而改變，只有通過信號處理系統(tǒng)進行增益、偏置地調節(jié)．才能使輸出的數(shù)字圖像的亮度和對比度滿足要求。XRD4460的增益控制由可編程增益放大器PGA完成，增益范圍為6dB～38dB，由8位增益寄存器控制，通過串口來設定。當輸入增益碼Code=00H時，系統(tǒng)存在固有6dB增益，增益控制碼每增加一個碼字，系統(tǒng)增益增加0.125dB，從而實現(xiàn)可編程增益控制。

（3）暗電平自動校正：由于光強、溫度、供電電壓的緩慢變化都會使視頻輸出信號的暗參考電平出現(xiàn)波動，在實際應用中，需要暗參考電乎維持一個固定電平，暗參考電平校正過程亦即直流電平恢復過程。通過情況下，CCD輸出視頻信號的開始部分或結束部分會分布若干個暗電平參考像元。XRD4460通過CLAMP信號的高電平與輸出信號的暗參考像素對應，選擇合適的外部耦合電容參數(shù)，將使整行的暗參考電平保持在一個固定電平上。

（4）數(shù)字偏置控制：若CCD工作于弱光條件下，即使信號的增益很大，經過視頻信號處理后的電壓仍可能低于ADC的下參考電壓，這樣使輸出視頻圖像產生失真。為了提高弱光條件下的灰度分辨率，需要使輸出視頻信號的暗參考電平高于ADC的下參考電壓，那么僅僅調整增益是不夠的，還需要對視頻輸出信號的偏置進行調整。XRD4460的偏置調整同樣是通過串口編程控制片內8位偏置寄存器。電源上電后默認的偏置設置值位08H，偏置調整范圍為02H～08H。

(5) A/D模數(shù)轉換：XRD4460內部集成了10位分辨率、逐次比較式A/D轉換器，由于利用對分搜索的原理，轉換速率高達16MHz，這樣的轉換速度和轉換精度適合于大多數(shù)應用場合。

(6) 串行接口：XRD4460的串行接口包括了一個10bit的移位寄存器和多個并行寄存器，通過LOAD、SDI、SCLK三個信號來控制內部寄存器的寫入，實現(xiàn)對XRD4460工作參數(shù)的編程控制。

3 CCD視頻信號處理電路的硬件設計

CCD視頻信號處理電路以專用CCD視頻信號處理芯片XRD4460為核心部件，完成CCD視頻信號的放大、噪聲處理以及數(shù)字化，并使用CPLD（可編程邏輯器件）技術完成整個電路的邏輯控制，配以先進先出(FIFO)存儲器作為數(shù)據高速緩沖器，用于存儲AD轉換后的數(shù)據，并采用具有微控制器的USB接口芯片，從而通過USB接口將CCD數(shù)據輸入計算機。CCD視頻信號處理電路設計如圖2所示。大致可分為三個部分。

3.1 XRD4460視頻信號處理電路

XRD4460專用CCD視頻信號處理芯片的工作時序需要根據具體的CCD芯片來確定。圖2中，SHD、SHP、RST、CLAMP信號必須依據CCD輸出信號的時序來設計。其時序關系如圖3所示。CCD輸出信號經過CCD信號處理器XRD4460處理， 即進行雙相關采樣(CDS)去噪處理后，再經增益放大以及偏置調整，然后經過A/D轉換得到10位數(shù)字數(shù)據。這些數(shù)據在CPLD邏輯控制電路的控制下存人異步FIFO存儲器SN74V293中。而SDI、SCLK、LOAD是XRD4460的串口控制信號。通過串行接口，可以方便進行編程控制XRD4460的增益與偏置的調整，從而改善輸出圖像的質量。

3.2 FIFO與USB接口電路

高速A/D變換的數(shù)據不能直接通過USB送入主機，需要通過FIFO來緩沖數(shù)據。電路采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為6553618或1310729，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數(shù)據的存儲。設置SN74V293的輸入、輸出寬度為18位時，則其可存儲64K10位的數(shù)據。FIFO寫時鐘W和復位信號/RS的時序關系如圖4所示。USB接口電路采用Cypress公司推出的EZ-USB芯片CY7C68013A,該芯片把USB2.0收發(fā)器、串行接收引擎SIE（Serial Interface Engine）、帶16K的增強8051內核、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口GPIF(General Programmable Interface)集成一體，將其作為USB外部設備的主控芯片，而無需外加微控制器（MCU）便可實現(xiàn)USB芯片通信初始化以及與主機的通信連接。 當FIFO中存入數(shù)據時，USB接口電路根據其標志信號（滿信號/半滿信號）讀取數(shù)據并發(fā)送給主機。

圖4 FIFO寫控制時序

3.3 CPLD邏輯控制電路

邏輯控制電路由CPLD采用VHDL硬件描述語言編程實現(xiàn)，完成整個電路的邏輯控制，主要包括三部分的功能。第一部分的功能是為XRD4460提供工作時序（如圖3）。第二部分功能是向FIFO提供寫時鐘W和復位信號/RS，控制數(shù)據的順利寫入。第三部分功能負責XRD4460的串口設置。在CPLD中設計一個串行口和一個寄存器，其中串行口用來將寄存器中的數(shù)據發(fā)送給XRD4460進行功能設置；而寄存器用來存儲主機發(fā)送過來數(shù)據。主機通過CY7C68013A中的EP2端點發(fā)送數(shù)據。

4 CCD視頻信號處理電路的軟件設計

USB應用系統(tǒng)軟件設計分為三部分：USB外設端的固件（Firmware）、主機操作系統(tǒng)上的客戶驅動程序以及主機應用軟件。主機應用軟件通過客戶驅動程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進行通信，由系統(tǒng)產生USB數(shù)據的傳送動作；固件則響應各種來自系統(tǒng)的USB標準請求，完成各種數(shù)據的交換工作和事件處理^[4]。

4.1 USB接口編程

固件程序是USB芯片內微處理器的控制程序，可采用匯編語言或單片機C語言設計。當系統(tǒng)上電時，固件程序通過USB電纜下載到CY7C68013A的內部RAM 中。

固件程序主要是實現(xiàn)USB通信。當主機與芯片進行USB通信時，會產生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器來判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個中斷主要用于與主機建立連接、進行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個中斷主要在批量傳輸時使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實現(xiàn)USB的數(shù)據傳輸。所有的中斷處理程序采用C語言進行編寫。

4.2 主機軟件設計

首先開發(fā)CY7C68013A在主機中的驅動程序。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅動程序，實現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉藴式涌诤瘮?shù)。

在應用程序開發(fā)中，采用VC++編制應用程序。把USB設備當成文件來操作，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來進行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進行批量傳輸。主要實現(xiàn)兩個功能：一是完成采集的圖像的顯示；二是設置CCD視頻信號處理芯片，包括PGA增益、ADC偏置等工作參數(shù)的設置。

5 結束語

本文介紹了一種采用專用CCD視頻信號處理芯片和CPLD技術來設計的CCD視頻信號處理電路，并采用USB接口技術實現(xiàn)數(shù)據傳輸。電路不僅結構簡單，而且調試方便，易于實現(xiàn)。通過USB和CPLD技術對專用CCD視頻信號處理芯片的控制，實現(xiàn)了圖象亮度與對比度的可編程調節(jié)，改善了圖象質量，提高了電路的整體性能，同時USB接口傳輸速率快，且易于計算機連接。因此，該電路可廣泛應用于CCD相機系統(tǒng)的設計。

參考文獻

[1] 王慶有 圖像傳感器應用技術[M] 電子工業(yè)出版社 2003
[2] 劉國媛，李露瑤，張伯珩，邊川平 CDS器件在TDI-CCD視頻信號處理中的應用[J] 光子學報 2000 Vol.29(1) 82-85
[3] 佟首峰，阮錦，郝志航 CCD圖像傳感器降噪技術研究[J] 光學精密工程 2000，Vol.8（2）：140-145
[4] 馮國飛，宋蘊興 基于USB數(shù)據采集卡的設計與實現(xiàn)[J] 微計算機信息 2005 21-1：75-76
[5] EXAR Corporation, Datasheet of XRD4460, 2004
[6] Cypress Semiconductor Corporation, CY7C68013A/CY768015A, EZ-USB FX2 USB Microcontroller, 2004.