一种高速线阵CCD图像数据采集系统

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第26卷第8期增刊仪器仪表学报2005年8月一种高速线阵CCD图像数据采集系统李明伟黄鸽刘静茹(大连理工大学电信学院大连116023)摘要介绍了一种可用于小颗粒物质色选的高速线阵CCD图像数据采集系统。文中介绍了CCD传感器元件RLl024P的驱动设计方法和采用图像数字转换器XRD98L59对CCD输出信号进行高速A／D转换的设计方法。设计全部采用Verilog语言进行硬件描述，并利用ISE4．2软件对所设计的各部分电路进行仿真，最后对FPGA器件进行了编程和硬件的电路调试，实现了CCD图像数据采集系统。该系统的设计新颖实用，技术指标达到设计要求，它以其优异的性能已成功的应用于色选系统中，并且得到了比较理想的数字图像数据。关键词线阵电荷耦合器件图像数据采集现场可编程门阵列ImageDataAcquisitionSysteminHigh—speedLinearCCDLiMingweiHuangGeLiuJingru(Dept．ofElectronicEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian16023，China)AbstractAhigh—speedlinearCCDimagedataacquisitionsystemwasdesignedforcolorselectingoftinyparti—cle．TwotechniqueswerediscussedaboutdrivingtheCCDcamera-RL1024Pandhigh—speedA／DconversiononCCDoutputsignalbyusingimagedigitizerXRD98L59．ThehardwaredescriptionwastotallyrealizedbyusingVeriloglanguage．UsingISE4．2softwarehadcompletedthissimulationofeverycircuit．AfterprogramminganFPGAchipanddebuggingthehardwarecircuits，theCCDimagedataacquisitionsystemwasrealized．Thede—signisnovelandpractical。andthemaintechnicalspecificationshavebeenattained．Duetoitsexcellentproper—ties，thesystemhasbeensuccessfullyusedincolorselectorsystemtogainanidealdigitalimage．KeywordsLinearCCDImagedataacquisitionFPGA(Fieldprogramminggatearray)1引言CCD传感器具有高精度、高分辨率、性能稳定、功耗低、寿命长以及具有自扫描功能等特点，在自动精密测量等方面，得到广泛应用，文中以CCD技术结合FPGA技术，设计出了用于粒子流中个别粒子识别的高速数据采集系统。2系统工作原理和主要硬件组成系统硬件结构如图1所示。CCD图像传感器既具有高灵敏的光电转换功能，又具有光电信号的存储和快速读出功能，它通过一组时序脉冲驱动控制，可以实现对目标图像的实时光电转换与信号读出。RLl024P能够满足高灵敏光学传感，高分辨率空间采样和高速信号读出的要求，该系统设计的CCD工作速度为10MHz，输出的视频信号经过相关双采样的XRD98L59图像数字转换器，进行高速的A／D转换，将模拟信号实时地转换成数字信号。CCD驱动时序发生器XCS40XL主时序控制数字转换器驱动时序发生器生XRD98L59图1系统构成框图RLl024P是PerkinElmer公司生产的P系列二相线阵1024象元摄像器件，每个光敏单的尺寸为14t-m长。它需要6路驱动信号，即复位信号，转移信号，两相 第8期增刊一种高速线阵CCD图像数据采集系统717时钟信号，光电信号，电子曝光控制信号。XRD98L59是Exar公司生产的图像数字转换器，它是CCD视频信号处理ASIC，包括相关双采样(CDS)，可编程增益放大(PGA)，可控制偏移校正等强大功能。其内部集成了10bit分辨率，20MSPS的ADC。XCS40XL是Xilinx公司生产的SpartanXL系列的FPGA，它具有4万个系统门，包括逻辑门和片内RAM。系统时钟可达80MHz。3系统总体设计在该设计中，系统的所有驱动和控制信号都是在ISE4．2开发环境下设计完成并经编译、校验后下载到FPGA器件内部的。其中主要包括线阵CCD驱动控制和XRD98L59A／D转换控制和数据的读取。3．1RLl024PCCD驱动电路设计CCD驱动电路必须满足各路脉冲间的时序关系，如图2所示。一l|_一：：e-t6。。一三总‰!三罱ii[i!：!!hi’nr1o鹏：产d：／Lo。ilFi斗二!：=io。；；乒一te—jE!：二二；o。盈卜—Ⅷ磁圃蕊圆飚厂。．趣o，九H：o—I几厂。煎图2线阵CCDRI。024P的时序波形S。。是使输出扩展二极管复位的复位管控制脉冲信号，复位一次输出一个信号，脉冲占空比为1：3，频率为2．5MHz，它由系统时钟10MHz四分频后逻辑运算所得。两相时钟信号s。。和S。。的频率应为SRG的1／2，即1．25MHz，同时为了避免MOS电容中的信号电荷包向上下两列模拟移位寄存器的电极转移不完全的情况，要求S。。和S。：在并行转移时有一个大于转移信号STG持续时间的宽脉冲，所以在考虑设计驱动信号S。，和S。：时应设计两部分，一是根据系统时钟8分频产生1．25MHz的方波电路，二是形成所需要的宽脉冲，如图2的时序波形所示。转移信号STG是使MOS电容中的信号电荷转移到移位寄存器中的转移栅控制信号，周期大于526×0．8肛s，S，。一1的时间应小于S。。的宽脉冲。一旦转移信号STG置高电平，光电信号S，。以高电平来实现电荷转移。S。一1的时间应小于STG一1的时间宽度。电子曝光控制信号SAB是使电荷从象元存储门向曝光控制沟道排出的控制信号，当S。。一1时，电荷排出。在光电二极管中正常电荷包收集时，SAB置低电平。该电路设计的仿真波形如图3所示。图3RLl024P的驱动电路仿真图3．2XRD98L59图像数字转换器控制电路设计CCD传感器输出的图像信号噪声中以CCD输出结构产生的复位噪声为主，相关双采样法信号处理电路对抑制复位噪声有强大优势。在对XRD98L59驱动中，应对亚象元0B定标来实现校正电路对信号偏移的调整。在进入定标时，需要用CAL和CLAMP信号来定义用于定标的亚象元数目和位置，同时对每行图像确定行头和行尾。CAL和CLAMP是两个行时钟控制信号，它有两种操作模式：CAL&CLAMP模式和CALONLY模式。在该设计中，采用CAL&CLAMP模式。在此模式中用CAL定义行尾OBpixel，用于暗电平定标，CLAMP定义行头的OBpixel。图4是XRD98L59控制时序仿真图，图中YR为CCD的复位信号，pll为CCD的两相驱动时钟信号中的一相。SBLK，SPIX是外部控制脉冲，它们经过内部时钟网络产生的内部电子开关控制脉冲，分别控制采样保持器对象元参考电平和视频电平进行的采样和保持工作。图4XRD981。59控制时序仿真I冬44结束语设计的用于色选系统的线阵CCD图像数据实时采集系统在FPGA技术的支持下实现了高速度和高精度，文中给出的设计仿真结果和真实系统的工作状况基本一致。在系统调试过程中，仔细调节各参数指标，可以诚小系统噪声及干扰。(下转第720页) 720仪器仪表学报第26卷水平垂直运算整合的方式，同样通过“群组像素”的搭配。X3也可以达到超高ISO值(必须消减分辨率)，高速VGA录画速率。比超级CCD更强悍的在于X3每一个Pixel(像素)都可以感应三个色彩值，在理论上来说，X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比SuperCCDIII还来得更精致。为了应对激烈的市场竞争和由以CMOS为代表的其他光敏器件的快速发展，其他的CCD厂商也纷纷加快步伐进行新技术开发。因篇幅有限，在此不再详述。3CCD的发展趋势(1)像面尺寸向集成化、轻量化方向发展由于光刻机的进步，在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD传感器的尺寸向1／2英寸、I／3英寸、1／4英寸、1／5英寸的方向发展。(2)向高像素数、多制式发展各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。(3)降低CCD传感器的工作电压、减少功耗初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐步以+12V和+5V为主。(4)提高CCD摄像机的制造效率为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄像机的小型化。到目前为止，已实现多层板的MultiCliipModule(MCM)多芯片集成模组化制造技术。(5)CCD摄像机的数字化在制造CCD摄像机时，从以往的Analog模拟系统逐步实现DSP数位化处理，可以借助电子计算机和专门软件系统实现对CCD摄像机，特别是对彩色CCD摄像机的各种参数的量化调整，可以确保CCD摄像机性能指标的优化一致性以及在特殊使用条件下的参数量化修改。4结束语目前，CCD器件虽然在研究论文发表方面数量在逐渐减少，但在生产量上却不断增加。回顾CCD的前期发展历史，除了着意提高像素外，在技术开发层面上并没有太大突破。但是，进入2000年后，CCD技术的发展一下子加快起来，新型结构的CCD不断进入市场，CCD的缺点也在改善，例如，低耗电、多功能化、低价格化和多层感色等。CCD器件并没有退出市场，在数码相机和摄像机市场中，仍为主要的成像器件。参考文献1友清．科学CCD的过去、现状和未来．激光与光电子学进展，1995(10)．2ShefferD．Randomaddressable2048×2048activepixelimagesensor[J]．IEEETrans．ElectronDevices，1997，44(10)：1716～1720．3LrppinoG．A．．Designofan8192×8192pixelCCDmo—saic．Proc．SPIE，1994，2198：810．4NorbertSchuster．Geomentricalnoisebandwidth：anewtooltOcharacterizetheresolvingpowerofanalogueanddigitalimagingdevices．Proc．SPIE，2002，4669：336．5TetsuroAshida．SignalprocessingandautomaticcameracontrolfordigitalstillcamerasequippedwithanewtypeCCD．Proc．SPIE，2004，5301：42．6PaulM．Hubel．Spatialfrequencyresponseofcolorim—agesensors：BayercolorfiltersandFoveonX3．Proc．SPIE，2004，5301：402．(上接第717页)参考文献2夏宇闻．v。1，9i19。29数字系统设计教程．北京：北京航天航空业出版社，．1蔡文贵，李永远，许振华．CCD技术及应用．北京：电子工大学出版社，2003．7． 一种高速线阵CCD图像数据采集系统作者：李明伟，黄鸽，刘静茹作者单位：大连理工大学电信学院,大连,116023本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6029367.aspx