CCD相機的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

CCD相機的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

CCD(Charge Couple Device)中文名為“電荷耦合器件”，是一種以電荷包的形式存儲和傳遞信息的半導體表面器件。由于CCD相機的靈敏度高、噪聲低、動態(tài)范圍大等突出優(yōu)點，使它在天文物理學、航空航天、生物和醫(yī)學研究、X射線成像、水下攝影、分子動力學、光譜學等科學研究領域得到廣泛的應用。目前，國內(nèi)成套的中高端CCD相機大都采用圖像采集卡作為數(shù)據(jù)的傳輸方式，對電腦要求高，維護不便，嚴重阻礙了CCD相機的發(fā)展。為此本文設計了基于USB的熱插拔、高數(shù)據(jù)傳輸率的CCD相機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CCD相機數(shù)據(jù)采集總體方案

完整的CCD相機系統(tǒng)比較復雜，一個完整的CCD相機系統(tǒng)包括制冷電路、CCD芯片、信號調(diào)理電路、時序驅動和控制電路、USB數(shù)據(jù)采集傳輸模塊等[1]。CCD相機數(shù)據(jù)采集總體方案如圖1所示。本相機用獨立制冷電路（具有測溫和反饋控制功能）給CCD芯片制冷，這部分電路與采集電路不發(fā)生關系，為了不產(chǎn)生影響，兩部分電路獨立，不共地。



1.1 信號調(diào)理電路

為了使CCD輸出信號能達到A/D轉換器的輸入信號的要求，本文設計了圖2 所示的CCD輸出信號調(diào)理電路。工作原理為：輸出信號U經(jīng)過低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過電位器W和低噪聲放大器A2,在A3放大器和上次復位后的輸出信號相減(SH1是采樣保持器，此時保持的是上次復位后在A2放大器中的輸出信號)，然后由采樣保持器SH2保持并經(jīng)A4放大輸出給A/D轉換器。A3為差分放大器，實現(xiàn)本次信號減去上次復位后的信號，從而消除復位噪聲。



1.2 A/D轉換及控制時序

CCD輸出信號的模數(shù)轉換電路設計需要全盤考慮。特別是轉換器的分辨率（轉換輸出位數(shù)）和采樣與轉換速度，這是影響整個系統(tǒng)的主要指標。同時受到CCD讀出信號、信號噪聲大小、計算機圖像處理的復雜程度等的影響和制約，而性能太高的轉換器由于受到其他因素的制約而發(fā)揮不了應有的作用，所以選擇合適的A/D轉換器是設計轉換電路的關鍵。在CCD采用制冷措施后，熱噪聲變的很小，通過信號調(diào)理電路可以減小復位噪聲，為了發(fā)揮制冷CCD高信噪比的優(yōu)勢，應使用高分辨率的A/D轉換器。綜合考慮射線圖像的信噪比、電路噪聲以及成本等因素，并參照其他CCD相機的情況，本文選擇了LTC1608CG模數(shù)轉換器,其片內(nèi)自帶采樣/保持器、16位的分辨率、轉換率為500 kS/s，其速度、精度和無管線延遲結構使得LTC1608特別適合于高速多路復用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[2]。
CCD讀出的信號經(jīng)過預處理電路后，由LTC1608進行模數(shù)轉換,A/D轉換的啟動信號CON0由計算機通過控制電路產(chǎn)生，選通2個8 bit鎖存器74LS374，在控制電路的作用下,把上次鎖存的16 bit數(shù)據(jù)傳輸給存儲器IDT7204。A/D轉換結束后自動進行下次采樣并輸出BUSY信號,利用BUSY信號把本次的轉換結果存儲在2片鎖存器中，再由下次的控制信號CON1讀入IDT7204中。A/D轉換電路圖如圖3所示。CCD信號轉移、A/D控制及數(shù)據(jù)傳輸控制時序圖如圖4所示。





1.3 FIFO

FIFO是一種先進先出的數(shù)據(jù)緩存器，它與普通存儲器的區(qū)別是沒有外部讀寫地址線，只能順序寫入數(shù)據(jù)，順序地讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動加1完成，這樣使用起來非常簡單。FIFO一般用于不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，例如本文中FIFO的一端為LTC1608數(shù)據(jù)采集，另一端為計算機的USB數(shù)據(jù)傳輸接口，其中A/D采集的速率為16 bit 500 kS/s，那么每秒的數(shù)據(jù)量為500 K×16 bit=8 Mb/s,而本文使用的USB接口芯片CY7C64613的傳輸速率為12 Mb/s,在兩個不同的時鐘域間就可以采用FIFO來作為數(shù)據(jù)緩沖。為了保證數(shù)據(jù)正確地寫入或讀出，而不發(fā)生溢出或讀空的狀態(tài)出現(xiàn)，必須保證FIFO在滿的情況下，不能進行寫操作。在空的狀態(tài)下不能進行讀操作。設計中FIFO芯片IDT7204工作時序圖如圖5所示。



1.4 USB數(shù)據(jù)傳輸

由于USB接口支持即插即用，接口體積小巧、節(jié)省系統(tǒng)資源、傳輸可靠、提供電源、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優(yōu)點，使得采用USB接口的CCD相機比采用PCI、光纖及串口等通信方式與上位機進行數(shù)據(jù)傳輸更方便，傳輸速率更高，符合現(xiàn)代通信的要求。實時、快速、準確地將數(shù)據(jù)通過USB傳遞給上位機是CCD相機的重點和關鍵。本CCD相機的USB接口使用的是Cypress半導體公司的CY7C64613芯片,它是一款全集成化外設控制器，支持USB2.0協(xié)議，內(nèi)含增強型8051核、豐富的端口和中斷向量、串行接口引擎SIE、通用可編程接口GPIF等資源[3]。

CY7C64613上電的處理類型有4種，這里采用首字節(jié)為0xC0的EEPROM啟動。當芯片上電后，檢測到首字節(jié)為0xC0的EEPROM連接到IIC總線上,此時CY7C64613自動將VID、PID和DID等復制到片內(nèi)存儲器,然后CY7C64613將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主機，主機根據(jù)ID數(shù)據(jù)選擇合適的固件程序下載到USB芯片內(nèi)。最初的列舉完成后，USB主機驅動芯片復位，然后CY7C64613按照用戶設備重列舉，執(zhí)行內(nèi)部固件程序，實現(xiàn)設備的初始化和與主機間的通信。EEPROM芯片24LC32A具有功耗低、允許工作電壓范圍寬、容量大、支持IIC總線協(xié)議、占用I/O端口少、擴展方便、讀寫簡單等優(yōu)點。其中WP為保護引腳，為高電平時，只能對該器件進行讀操作，用于硬件數(shù)據(jù)保護；為低電平時，可進行讀寫操作。電路圖如圖3所示， 其中由于SCL和SDA引腳都是漏極開路和遲滯輸入的，因此必須外接2.2 kΩ的上拉電阻。

本設計采用EZ-USB芯片提供的一種高速數(shù)據(jù)傳輸模式，即GPIF模式，它是一種內(nèi)部主機控制模式，使用內(nèi)部集成的高效控制邏輯來取代外部的微控制器進行EZ-USB端點FIFO的控制。在GPIF模式下，為了獲得IDT7204中的數(shù)據(jù)，將CTL0與R引腳相連，在每個R的低電平時期將數(shù)據(jù)從外部FIFO IDT7204中讀出。RDY1與EF相連，如果外部IDT7204為空，則EF為低電平，GPIF用這個引腳控制讀數(shù)據(jù)。IDT7204指針在數(shù)據(jù)傳輸過程中自動增加，當IDT7204指針為滿時，數(shù)據(jù)傳送完成，進入空閑狀態(tài)，否則數(shù)據(jù)沒有完全傳輸完畢，這時就要繼續(xù)等待數(shù)據(jù)從IDT7204中傳輸過來，這就保證了IDT7204中的數(shù)據(jù)實時、安全地傳送到PC中。GPIF模式下的IDT7204讀波形圖如圖6所示[4-5]。



2 軟件開發(fā)

USB外設所必須的驅動程序、應用程序以及固件程序的開發(fā)可以利用Cypress公司提供的CY7C64613的開發(fā)包。驅動程序在Cypress提供的通用驅動程序CYUSB.SYS的基礎上，通過調(diào)用主機控制函數(shù)庫CyAPI.lib中的函數(shù)開發(fā)USB 設備。固件設計可以用提供的固件封裝包來實現(xiàn)，封裝包里含fw.c、periph.c、lp.h、lpregs.h等文件，實現(xiàn)EZ-USB 芯片的初始化、USB標準設備請求的處理和USB掛起電源管理等服務。固件和驅動程序設計好后，可以用Cypress公司提供的EZ-USB Control Panel軟件進行調(diào)試，固件工作流程如圖7所示。



上位機應用軟件的工作流程如圖8所示。該應用軟件可以控制相機的曝光時間、對采集的圖像進行刷新、重采樣、對圖像的灰度、對比度拉伸和圖像降噪（濾波）等操作，并可以對圖像進行多種格式的打開和存盤。

CCD相機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計完成了從總體方案設計到軟、硬件調(diào)試等一系列過程，采用EZ-USB控制器實現(xiàn)了系統(tǒng)的即插即用，應用GPIF工作模式滿足了CCD高速數(shù)據(jù)采集時數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求。經(jīng)初步測試，其性能和指標達到了預期的要求，為以后CCD相機的研制奠定了堅實的基礎。