基于FPGA的CCD信号处理电路设计

摘 要在非接触位移测量领域中，电荷耦合器件 CCD 是具有较高灵敏度的光电传感器，其测量精度高，能自动连续地进行检测。本论文研制了应用于线阵 CCD的几种电路。研制了 CCD 自动增益调整电路。实验证明，这个系统能够自动调整不符合采集要求的 CCD 增益，提高测量精度。研制了双通道数据采集电路。该电路利用快速 A/D 转换器 AD9048、双端口存贮器 IDT7134 组成高速采集与缓冲电路，实现了双通道 CCD 信号的同步高速采集。研制了采用现场可编程门阵列 FPGA 的 CCD 驱动与数据处理电路。本文利用 Verilog HDL 硬件描述语言进行设计，将 FPGA 器件配置成专用于线阵 CCD 信号的硬件数据处理器，达到数据实时处理的要求，并同时将 CCD 驱动电路集成在 FPGA 器件内，缩小了电路面积，提高了系统的集成度。关键词：自动增益调整 电荷耦合器 现场可编程门阵列 信号处理AbstractIn field of displacement measure without touch，charge couple device CCD is a high sensitivity photoelectric sensor with high measurement precision，which can be used in automatic succession measure.In this thesis， several kinds of circuit applied on linear CCD are researched and produced. A kind of circuit for the auto-gain regulation of CCD is research and produced. According to the linear relationship between the CCD exposure time and the output analogic voltage，It is proved by the experiment that the gain of CCD which doesnt accord with the collection circuit can be self-regulated by this system, meanwhile the precision of measure is increased. The circuit for dual-way data collection is researched and produced，in which the high-speed collectin and buffer circuit are formed on basis of using fast A/D converter AD9048 and dual-way memory IDT7134.So the synchro high data collection for dual-way CCD signal is fulfilled. The circuit of CCD drive and data process are researched，in which field programmable gate arrays(FPGA)is adopted.In this thesis，Verilog HDL hardware description language is used in design，FPGA device is configured to hardware data processor used especially on linear CCD signal，the request of data process on real time is satisfied.At the same time，the circuit for CCD drive is integrated in FPGA device，the area of the circuit is decreased，the systematic integrated level is also increased.Keywords: auto-gain regulation CCD FPGA signal processing- I - 目 录第一章 绪论 .11.1 CCD 基本概述 .11.2 本课题研究的目的、意义 .2第二章 方案论证与方案设计 .32.1 国内外研究现状和发展动态 .32.2 CCD 信号处理电路结构及原理 .32.3 本文所做的主要工作 .4第三章 CCD 自动增益调整电路设计 .63.1 光源光功率的调整 .63.2 驱动电路的频率调整 .6第四章 双通道 CCD 信号数据采集电路设计 .114.1 电路要求 .114.2 CCD 信号的二值化处理 .114.3 CCD 信号的量化处理 .124.4 双通道 CCD 信号数据采集 .13第五章 基于 FPGA 的 CCD 数据采集及处理系统设计 .175.1 FPGA 在 CCD 驱动电路中的应用 .175.2 FPGA 在 CCD 信号数据处理中的应用 .215.3 采集及处理系统 .285.4 系统性能 .28总结 .30参考文献 .31致 谢 .32- 1 - 第一章 绪论1.1 CCD 基本概述机械工业是国民经济的装备部门，而标准化和计量测试是机械工业发展的基础和先决条件。在机械制造中，精密加工必须靠精密的测量手段来保证，加工精度的提供与计量技术的发展水平密切相关。测量与控制是促进科技发展的一个重要因素。CCD(Charge Coupled Device)，电荷耦合器件，是 70 年代初发展起来的新型半导体器件，其设计思想是由美国贝尔实验室的 Boyer 与 Smith 于 70 年代提出。二十多年来，CCD 的研究取得了惊人的进展，特别是在传感器应用方面发展迅速，已成为现代光电子学与现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一 1。由于 CCD 具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、重量轻、体积小、像素位置准确、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、易于与计算机配合等优点，致使 CCD 光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、光学式、电磁式量仪优越得多。特别值得注意的是 CCD 尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，它使加工、检测和控制过程融为一体成为可能。利用 CCD 作为光敏感器件的激光三角法测量技术在非接触尺寸、位置测量中得到了广泛应用。它将激光束投射到被测物面所形成的漫反射光斑作为传感信号，用透镜成像原理将收集到的漫反射光汇集到 CCD 上形成像点，当入射光斑随被测物面移动时，成像点在 CCD 上作相应移动，根据象移大小和传感器的结构参数可以确定被测物面的位移量，若在物体两边同时测量就可以得到物体的厚度。在用 CCD 构成的实际测量系统中，存在着以下几个问题和要求：a增益调整要求：在实际的工作中，若更换了被测物体或同一被测物体的表面对激光的反射率变化比较大时，若反射的光较强，有可能使连续的 CCD 光敏单元产生饱和电荷；若反射的光较弱，被测点对应的像敏单元吸收的光信息很少。这两种情况都会使输出的模拟信号失真，进行 A/D 转换后再进行数据处理的结果会不真实反映被测物体的位移信息，影响测量的精度。这就需要 CCD 信号的增益调整 2。b双通道要求：在利用激光三角测量方法测物体厚度时，对物体要进行双面测量，两边的光路应同时成像在各自对应的 CCD 上。采集电路需要进行双通道同步采样，这样才能保证所采集到的光点信号是同时的，最后得到的结果才真正反映物体的厚度。而目前商用的 A/D 采集卡都是多通道分时顺序采样的，这就必然造成采样时差及对应的尺寸误差。- 2 - c测量速度要求：在某些 CCD 采集光强度足够的场合中，若要求测量的速度达到几百 HZ 或 1KHZ 以上时，CCD 的光积分时间或帧周期要求为几个 ms 或低于 1ms。要在如此短的时间内完成几千个数据的采集及计算，需要高速的数据采集及处理。d集成度要求：在使用 CCD 进行的测量系统中，需要配备 CCD 驱动电路、数据采集电路、数据处理电路及结果显示电路。为减少电路板的尺寸，需要将 CCD 的驱动电路从板级电路集成到一块芯片上。1.2 本课题研究的目的、意义本课题适用于应用线阵 CCD 进行位移测量的领域中。在物体位移测量系统中，以 CCD 作为位移传感器。当激光头发出的激光照射在被测物体表面上，反射光经过透镜聚焦后成像于 CCD 光敏单元上，而 CCD 驱动电路以一定频率的脉冲驱动 CCD 输出反映物体位移信息的信号。处理时再将此信号经过 A/D 转换、采集后送到微处理器或其他器件进行运算。本论文工作的目的就是解决上节所述的 CCD 测量系统中存在的技术问题，以满足时间测量的精度、速度、集成度等要求，使 CCD 测量技术更好地服务于实际应用中。- 3 - 第二章 方案论证与方案设计2.1 国内外研究现状和发展动态在现代信号处理和电子应用技术领域，CCD 作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置，并日益显示出其巨大的应用价值。尽管 CCD 技术的发展到现在只有几十多年的历史，但它的发生与发展已经历了诸多变化，作为一种信号处理的技术已相当完善，并不断发挥着其重要的作用。长期以来，人们不断地探索 CCD 电路处理的设计与实现方法，努力地追求着简化设计、减少体积、改善性能、提高灵活性和可靠性、便于制作等问题。随着微电子学迅速发展，以单个芯片进行 CCD 信号电路处理的设计正在发展和应用中。如今 CCD 信号处理电路的设计有多种实现方法。第一种是采用单片机来实现，但单片机的处理速度比较慢。第二种是采用专用的 DSP 芯片，但是 DSP 的串行指令执行发式，使其工作速度和效率大打折扣，而且在一些高速的应用中，系统性能不断增长，而 DSP 性能的提高却落后于需求的增长。第三种是采用可编程逻辑器件(PLD)的方法来实现。可编程逻辑器件在电子技术领域中的应用，为数字硬件电路系统的设计带来了极大的灵活性。由于可编程逻辑器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字硬件电路系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。纵观可编程逻辑器件的发展史，它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。自从 1989 年美国 Xilinx 公司率先发明 FPGA(现场可编程门阵列)的概念以来，FPGA 技术以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系统单片化的应用优势，随着亚微米 CMOS 集成电路制作技术的成熟和发展，器件集成度不断增大，器件价格不断下降的趋势，逐渐受到各国电子系统应用领城的设计工程师的广泛关注和欢迎。时至今口，FPGA 技术不再是ASIC 技术领域的一个点缀和补充，而跃为电子应用(包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC 设计)等诸多领域受欢迎的实用技术，成为数字系统科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。2.2 CCD 信号处理电路结构及原理CCD (电荷耦合器件 )作为近代新型的固体成像器件 ,具有体积小、分辨率高、灵敏度好、可靠性强等优点。CCD 成像仪在国民经济发展和国防安保领域都得到了广泛的应用 ,并有逐步取代胶片相机的趋势。CCD 相机的成像质量对- 4 - 应用的效果起着关键的作用。因此 ,如何提高 CCD 相机的成像质量成为了 CCD 相机研制的一个重点。CCD 相机成像质量主要由光学系统、驱动电路、信号处理电路和图像处理电路来决定 。其中信号处理电路是连接 CCD 输出 (模拟信号 )和后端数字处理电路的桥梁 (一般称其为模拟前端 (AFE) ) ,是决定图像质量的关键因素之一 ,也是调试中的一个难点。AFE 的设计方法一般有两种 ,一种是采用分立元件搭建 ,另一种是采用集成 AFE。第一种方法电路设计比较麻烦 ,且调试难度较大 ,目前主要采用集成 AFE。本文研究了 CCD 信号处理电路的原理 ,并根据 CCD ACEX1K30 的信号处理电路设计实例对其关键问题进行了总结和分析。CCD 信号处理电路结构及原理如图 2-1 所示 , CCD 信号处理电路主要由相关双采样(CDS)、可编程增益放大器 (PGA)和模数转换器 (ADC)组成。CCD 在正确的时钟驱动下 ,将照射在其感光单元上的光能量转换为电荷 ,并以电压的形式输出 ,经缓冲放大后进入信号处理电路。由于 CCD 输出信号的特殊性 ,不能直接进行模数转换 ,一般是先对其进行相关双采样 ,提取出代表图像信息的周期性模拟信号 ,然后根据实际需要对其放大 ,将放大后的信号模数转换量化为数字信号供后端处理。C C D 信 号相 关 双 采 样可 编 程 增 益放 大 器A D CO U T图 2-1 CCD 信号预处理电路结构2.3 本文所做的主要工作在调研了 CCD 采集和处理系统方面相关资料的基础上，针对所存在的问题，为利用 CCD 进行的测量工作研制了以下电路。（1）CCD 自动增益调整线阵 CCD 传感器输出的模拟电压与入射光光强、帧转移频率有关，且随着入射光光强的增加而增大，随着帧转移频率的提高而减小。当入射光越强，或帧转移脉冲频率越小、即积分时间越长，则对应的光敏单元捕捉到的光量越多。到一定限度时，连续的光敏单元产生的光电电荷到达饱和，输出的离散电压为饱和值。反之，则光敏单元采集到的光信号很弱，输出的模拟电压很低，与暗电平相比不突出，采集后的数据不利于系统的处理，使误差增大。对于前面提出的精度要求的情况，可以采用改变光强的方法，也可以采用手工调节 CCD 的驱动频率的方法来提高测量的精度。而本文提出了 CCD 自动增益调整，具有其优越性。在自动增益调整的过程中，由于 CCD 输出电压的峰值随着帧转移信号的频率提高而减小，处理器芯片根据 CCD 输出模拟电压的峰值的大小进行调整。当峰值过大，提高帧转移频率。反之，则降低帧转移频率。采集及处理电路采用了自动增益调整，使 CCD 吸收到合适的光信息，从而将输出的信号控制在一- 5 - 定的电压范围之内，满足了采集和处理系统的要求，提高了系统的测量精度。（2）基于 FPGA 的 CCD 驱动电路CCD 驱动电路的设计是 CCD 应用的关键问题之一。以往经常采用的驱动方法包括直接数字驱动方法、EPROM 驱动方法、单片机驱动方法，前 2 种基本偏重硬件的实现，调试困难，灵活性较差，而后一种虽编程灵活，但存在资源浪费较多、频率较低的缺欠 3。本文采用 FPGA 进行设计。整个设计是采用自上而下的设计方法，编程完只要进行仿真、时序验证正确后再最后下载到器件中，再进行电路的测试，校验，直到达到预期的效果。这样的设计修改起来很方便，只需要改程序就行，而不像传统的设计方法，要更换器件、修改设计电路等。基于 FPGA 的设计既具有用软件编程的方便性，又可以达到完全硬件运行的高速性能，并且满足集成度的要求，从板级电路集成到一块芯片上，节省了电路板面积。（3）基于 FPGA 的 CCD 信号数据采集及处理系统在整个系统的测量速度方面，若用单片机进行数据处理已远远满足不了要求，就需要采用其他器件，本文采用 FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)进行设计。采用高速 A/D 转换器 AD9048 及双端口存贮器 IDT7134组成高速缓冲电路，满足了高速采集的要求。利用 FPGA 高度集成及高速运行能力的优点，将 FPGA 配置成专用于线阵 CCD 测量领域中的硬件数据处理器，满足实时数据处理的要求，并使整个系统的运行能力大大提高，满足了测量速度的要求。- 6 - 第三章 CCD 自动增益调整电路设计为了确知某一测试对象的各项特性，我们常常要借助各种仪表和各种手段(直接测量或遥测) 来获得各种各样的测量结果(数据)。但若直接对 CCD 输出的模拟信号进行数据采集而不加任何预处理，就直接使用，则是非常不适当的。要使采集的信号正确的反映被测参数的特性就要对信号加以监控。在物体位移测量系统中，以 CCD 作为位移传感器。当激光头发出的激光照射在被测物体表面上，反射光经过透镜聚焦后成像于 CCD 光敏单元上，而 CCD 驱动电路以一定频率的脉冲驱动 CCD 输出反映物体位移信息的信号。处理时再将此信号经过 A/D 转换,采集后送到单片机或计算机进行运算。但在实际的工作中，若更换了被测物体或同一被测物体的表面对激光的反射率变化比较大，在较强的输入光下，有可能使连续的 CCD 光敏单元产生饱和的电荷，从而使输出的模拟信号出现在数据采集条件要求之外，不真实反映被测物体的位移信息，这样经过 A/D转换后进行数据处理的结果会影响测量的精度，使误差表现较大。CCD 测量系统的精确程度与 CCD 输出模拟信号的峰值电压范围相关，有三种方法使得CCD 信号保持在线性范围内，一种是通过调节外部光照强度, 另两种是通过手工或自动调整 CCD 感光时间的方法使输出的模拟电压的峰值在一定电压范围之内。本文采用自动增益调整的方法进行设计，其具有一定的优越性。3.1 光源光功率的调整面阵 CCD 对目标与背景的衬比即背景光的亮度有一定的要求，光太强或太弱都会对衬比度产生影响。为了在工作中使衬比度最佳，被俘获目标经过光学镜头成像于面阵 CCD 靶面，系统通过提取 CCD 相机的视频信号，测出背景光强弱，并以此为根据，时刻调节背景光，减小或增加光的能量，使衬比度最佳。3.2 驱动电路的频率调整3.2.1 自动调整原理线阵 CCD 传感器输出的模拟电压与入射光光强、帧转移频率有关，且随着入射光光强的增加而增大，随着帧转移频率的提高而减小。当入射光越强，或帧转移脉冲频率越小、即积分时间越长，则对应的光敏单元捕捉到的光量越多。到一定限度时，连续的光敏单元产生的光电电荷到达饱和，输出的离散电压为满值，就出现了图 3-1（a）这种情况。此时，应提高帧转移频率。反之，则出现图 3-1（b）的情况，则应降低频率。- 7 - CCD 单元（像素）V1V2暗电平图 3-1 CCD 信号输出情况图 3-1 (a)CCD 输出信号过强 (b)CCD 输出信号过弱3.2.2 电路设计思路在自动增益调整的过程中，由于 CCD 输出电压的峰值随着帧转移信号 Tsh 的频率增大而减小，处理器芯片根据 CCD 的输出模拟电压的峰值的大小进行调整。当峰值过大，提高帧转移频率，反之，则降低帧转移频率。根据以上的设计思路，系统分为检测和调节两个环节。3.2.3 CCD 信号强度检测电路+-S DO S+-+-QV 1J KA D C 0 8 3 2C SC L KD 0D 1I N T 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 68 9 C 5 1S H图 3-2 检测电路图图 3-2 为检测电路。SH 为 CCD 的帧转移信号，单片机采用中断方式响应 SH 的下降沿。当 CCD 模拟电压转移完后，产生 SH 脉冲信号，其脉宽大于单片机3 个周期，符合单片机中断信号采样的要求。1采样保持电路图 3-2 中 OS 为 CCD 输出的模拟电压，通过由比较器 LM12