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(jì)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(jì)了一個(gè)高速的彩色CCD圖像采集系統(tǒng)。文中詳細(xì)闡述了系統(tǒng)內(nèi)不同模塊的硬件電路設(shè)計(jì)思路和軟件運(yùn)行流程。整個(gè)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(jī)控制程序等各個(gè)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(dá)7．5 frame／s。
關(guān)鍵詞：CCD；圖像采集；ICX205AK；USB2．0；CPLD

隨著時(shí)代的進(jìn)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(duì)抗等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。所以，對(duì)圖像采集系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)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(jì)70年代迅速發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體探測(cè)器件，可把自然圖像轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有動(dòng)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(diǎn)。USB即Universal Serial Bus，是通用串行總線的簡稱，這是由七家主要的計(jì)算機(jī)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(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸采用USB2．0高速傳輸接口；整個(gè)系統(tǒng)由USB接口供電，無需外加額外的電源；系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)140萬的高清圖像采集；圖像采集的速度最高達(dá)7．5 frame／s。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
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(gè)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(jī)PC以及控制程序等各個(gè)部分組成。電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電，電源模塊的輸入是USB總線提供的5 V電源，進(jìn)行DC—DC轉(zhuǎn)換產(chǎn)生兩路CCD驅(qū)動(dòng)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(fù)責(zé)將CCD輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)，采用的是ADI公司的AD9824，它是一款完善的CCD信號(hào)處理器。CPLD控制器產(chǎn)生CCD和AD工作所需要的時(shí)序，同時(shí)須實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)圖像的曝光時(shí)間和白平衡等調(diào)整。USB2．0高速接口是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的“交通要道”，對(duì)系統(tǒng)中高速圖像信號(hào)采集，上位機(jī)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(qiáng)型8051內(nèi)核、16KB RAM、4KB FIFO存儲(chǔ)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(gè)系統(tǒng)門，128個(gè)宏單元，最大支持80個(gè)用戶I／O，且功耗低。

1．2 CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
圖2為CCD驅(qū)動(dòng)電路。由于ICX205AK垂直移位寄存器不能直接使用TTL電平驅(qū)動(dòng)，所以需要引入CCD驅(qū)動(dòng)電路部分，對(duì)CPLD生成的各種轉(zhuǎn)移脈沖信號(hào)進(jìn)行功率放大，以滿足CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)波形電壓及電流以及時(shí)序的要求。驅(qū)動(dòng)信號(hào)的好壞會(huì)對(duì)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(jì)采用的是與ICX205AK相配套的垂直時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片CXD1267AN，將原本為TTL電平的V1，V2A，V2B，V3和SUB信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹线m的電平。其中V1，V3要求為-8V／0 V兩個(gè)等級(jí)，V2A，V2B要求為-8 V／0 V／+15 V3個(gè)等級(jí)，SUB為-8 V／+15 V兩個(gè)等級(jí)。引入XSG1，XSG2兩個(gè)時(shí)序信號(hào)，用于控制CXD1267AN生成垂直移位時(shí)鐘信號(hào)V2A＼V2B，實(shí)現(xiàn)感光陣列中的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)移到移位寄存器。H1，H2水平寄存器轉(zhuǎn)移時(shí)鐘，用于控制水平移位寄存器的電荷信號(hào)的順序移出，其頻率直接決定CCD信號(hào)輸出的頻率。