基于ICX267AK网络摄像机的研究与设计

分类号：U49 10710- SO824057硕士学位论文基于ICX267AK网络摄像机的研究与设计导师姓名职称孙朝云教授申请学位级别工学硕士学科专业名称交通信息工程及控制论文提交日期 2011年6月日 论文答辩日期 2011年6月13日 学位授予单位长安大学答辩委员会主席赵祥模教授学位论文评阅人朱京平教授冯晓明副教授分类号:_ 10710-SO824057硕士学位论文基于ICX267AK网络摄像机的研究与设计导师姓名职称孙朝云教授申请学位级别工学硕士学科专业名称交通信息工程及控制论文提交日期2011年6月日论文答辩日期2011年6月13日学位授予单位长安大学答辩委员会主席赵祥模教授学位论文评阅人朱京平教授冯晓明副教授Network cameras research and design based onICX267AKA Dissertation Submitted for the Degree of MasterCandidate： LiJianSupervisor： Prof.Sun Zhao YunChangan University, Xian, China2论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所 取得的成果。除论文中已经注明弓丨用的内容外，对论文的研究做出重要贡献to个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其 他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:$璉年/月“曰论文知识产权權声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学 校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果吋，署名単位仍然 为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名:键叫年 月It曰导师签名：办郭为311年（月I曰摘要在网络技术和电子技术日趋成熟的今天，网络摄像机也得到了飞速的发展，有取代“图像 传感器+采集卡”传统图像采鍾式的趋势。而且高性能低成本的网络相机在自动测量、设备 检测、安全监控等业测控领域的需求与日俱增。但是，目前国内网络摄像机还处于研发阶段， 本文提出的基于ICX267AK网络摄像机的设计方案，对网络摄像机的研发具有重要的理论和实 践意义。本文在深入研究CCD图像传感器结构及工作原理的基础上，在灵敏度、成本、噪声、功耗 等方面对CCD和CMOS图像传感器进行了比较，并详细分析了 ICX267AK图像传感器的结构 和工作原理，设计了以ICX267AK图像传感器为核心的网络摄像机。本文主要做了以下几个方 面的工作：一、以Altera公司的CycloneH系列的FPGA为载体，利用VHDL语言设计了 ICX267AK的驱动时序；二、利用AD9949A将ICX267AK输出的模拟信号转化为数字信号； 三、以linux操作系统为平台，将AD9949A输出的数字信号采集到S3C6410处理器中，并将采 集的麵进行初频处理；四、利用UG库实现图像麵的压缩，从而可以大大减轻网络传 的负担，五、利用TCP传输控制协议实现简单的网络传输功能。本文主要完成了 ICX267AK图像传感器驱动时序的设计、放大及AD转化、图像采集、JPEG 图像压缩和图像传输等基本的功能。整个硬件电路稳定、可靠，实验表明采集的图像质量较好， 采集频率可以达到15顿/秒，采集的图像分辨率可以达到1392X1040,即1.45M。数据可以流 畅、完整的传输。关键词：ICX267图像传感器；驱动时序；图像采集；图像压缩；S3C6410iiiABSTRACTIn the network technology and electronic technology increasingly mature, network camera also has rapid development, and has an alternative to Image Sensor + capture card* traditional image capture mode trend. Also, low-cost high-performance network camera in the automatic measurements, equipment testing, security monitoring and other industrial measurement has a increasing demand. However，the current domestic network camera is still in development stage, the proposed network camera based ICX2b/AK design in research and development of the network camera has important tiieoretical and practical significance.The structure and working principle of CCD image sensor has been studied in-depth. CD and CMOS image sensors has been comared based on the sensitivity, cost, noise, power consumption and other aspects. ICX267AK image sensor structure and working principle has been analyed in detail and network camera based on the image sensor ICX267AK has been designed. The following several tasks has been completed:First, designed the drive timing of ICX267AK useing hardware Description language VHDL and Alteras Cyclonell series FPGA; Second, transformed the ICX267AK analog signals into digital signals using AD9949A; Third, collected the AD9949A output digitalsignals into processor S3C6410 by linux operating system platform, and preliminary processes the data collected; Fourth, compressed the image data by the UG libraiy so as to greatly reduce the burden of network transmission; Fiflhrealized the network transmission using TCP transmission control protocol.ICX267AK timing anven or image sensors, amplification and AD conversion, image capture, JPEG image compression and image transmission, and other basic fiinctions has been completed. The hardware circuit is stable, reliable.Experiments show that the image quality is better collected, collection frequency can reach 15 frames/ sec, image capture resolution of up to 1392 x 1040, or 1.45M. Data can be smooth and complete transmiss.Keywords: ICX267 image sensor; drive timing;image acquisition; image compression;S3C6410目录m-m m 论1l.i网驅象机研究背景及意义:.il.i.i视集系统的;m历程11.1.2基于网罐像机视集的特点21.2网象机国内外发展状況31.3本文主娜究容3%-m. ICX267AK 52.1 CCD传麟離构及工作原理52.1.1 CCD传藤的结构52.1.2 CCD传離的工作原理62.2 CCD图像传与CMOS图像传的対比92.3 ICX267AKCCD102.3.1 ICX267AK 的结构102.3.2 ICX267AK 的工作原理11EM ICX267AK 133.1基于ICX267AK网_像机硬件电路总体设计133.2基于ICX267AK网络摄像机硬件电路详细设计143.2.1 ICX267AK 驱动电路143.2.2放大及AD转化模块183.2.3 FPGA控制电路设计213.2.4以太网接口电路 233.2.5 243.2.6酣象采無臭块电路253.2.7电源设计 263.3 PCB 30第H章ICX267AK驱动时序册和AD9949A寄締隨314.11CX267驱动时序分析314.1.1启动周期时勝析314.1.2转移周期时將析324.1.3积分周期时序分析344.2 CCD 354.2.1驱动时序产生的一般方法354.2.2 364.2.3启动周期设计流程.364.2.4 mmmmmmn374.3 AD9949A相关寄存器设置384.3.1 AD9949A相关寄存器的设置384.3.2 AD9949A 的 SPI 串 口设计394.3.3 AD9949的初始化流程414.4本章实验结果及分析414.4.1 ICX267AK驱动时序的仿真波形414.4.2 ICX267AK驱动时序的实测波形结果434.4.3 SPI 串 口测试44第五章基于S3C6410姐里器的图像采集和预455.1 UbuntulO.l 平台的搭建455.1.1 UbuntulO.l 安装455.1.2女装交叉编译器 cross4.2.2-eabi.tar.bz2465.1.3编译 u-boot-1.1.6和 Linux-2.6.28内核475.1.4下载并烧写 u-boot 到 Nandflash485.1.5烧写 Kernel495.2酣象采集驱动臟计495.2.1驱动的分类和工作原理495.2.2 S3C6410的中断的原理505.2.3中断的配置.515.2.4 5253 BAYER 转 RGB 565.4本章实验結果及分析57第六章JPEGS像压缩象传臟十586.1 JPEG mWBM586.1.1 JPEG图像压織示准586.1.2 JPEG图像麵存储格式586.1.3 JPEG图像臟原理60、6.1.4 JPEG酣象压缩酿现676.2 nmmmmxf .696.2.1 _各#IrtH义的选择696.2.2 TCP协议的实现706.3本章实验结果及分析73长安大学硕士学位论文6.3.1压缩模块结果测试736.3.2 TCP网谢編莫块结果测试7475離：75展望75参考文献77致谢79第一章绪论1.1网络摄像机研究背景及意义随着社会的发展和科技的进步，人们不论是对日常生活中的数码相机，还是对业控制用 的业相机的要求日益増加，尤其是在网络技术快速发展的今天，网络摄像机成了人们研究的 一个热点问题。网络摄像机是一种结合传统摄像机与网络技术所产生的新一代摄像机，它可以 将图像通过网络传至地球另一端1。1.1.1视频采集系統的发展历程视频避系统从产生以来主要经历了模拟视频纖系统、模数混合视频采集系统和嵌入式 网络技术的视频采集系統三个阶段。1) 模拟视频采集系統主要以独立组网的系统形式出现，由摄像机、视频矩阵、监视器等组 成。传输介质主要为视频传输线，一般利用键盘进行切换和控制，远距离传输使用微波或者模 拟光纤，复用方式为载频频分复用，主要用于小范围监控或测量系统。模拟视频采集系统主要 有以下三个方面的缺点：1、图像质量受传输距离影响较大，传输成本比较高； 2、数据存储需 要耗费大量的存储介质，存储寿命较短； 3、模拟视频采集系统多是采用点对点工作模式，联网 比较困难，一般不利于扩容。2) 模数混合视频采集系统是指用数字信号控制的模拟视频采集系统，典型的结构是“摄像 机+PC采集卡”，它一般利用采集卡完成图像的压缩、预览、存储、联网控制等功能，近年来 模数混合系统有了较大改迸，国内多家厂商推出了性能稳定可靠的图像采集卡，如海康微视的 DH系列视频采集卡，而且视频采集卡扩展性也得到了很大的提升，大部分采集卡可以支持4 32路视频输入。因而模数混合视频采集系统可以与多种系统(如出入口管理系统、楼宇自控系 统）等实现联动控制，是目前应用最广泛的视繼集系统。模数混合视步踩集系统主要有以下 四个方面的缺点：1、由于每个摄像机需要安装单独视频线，导致布线结构复杂； 2、在大 规模视频监控系统中，存在组网、扩容困难的问题； 3、由于所有的摄像机通过采集卡连接到 PC机上，如果PC机出现故障，存在整个系统瘫痪的问题； 4、对于监控点比较多、各个监控 点分布比较远的工程中，需要大面积铺设昂贵的电缆线，因而存在成本高的缺点。长安大学硕士学位论文3) 基于嵌入式技术的网络数字视频采集系統，该系统的优势是摄像机内置Web服务器， 并直接提供以太网端口，只要有网络的地方都可以访问摄像机采集到的图像数据，组网 时可以直接利用现有局域网基础设施，不用铺设昂贵的电缆线，降低了整个系统的成本。并 且这种摄像机可以直接生成JPEG或MPEG4格式的数据文件，可供任何经授权客户机从 网络中任何位置访问、监视、记录并打印，而不是生成连续模拟视频信号形式的图像。随着社会的不断发展，人们对视频采集系統的要求也不断提高，而传统基于“PC机+采集 卡”式的视频采集系统存在稳定性不够好、功耗高、需要有人值守、软件的开放性不好的缺点， 因而传统的本地视频采集方式已逐渐无法满足某些行业大范围、远距离实时监控的应用要求。 因此，进一步提高视频采集系统的性能，探究新的视频采集系統的实现方案，具有重要现实意 义。1.1.2基于网络摄像机视频采集的特点基于网络摄像机视频采集系统具有如下优点：1) 先进性：基于网络摄像机视频采集系统利用现有的綜合布线网络传输实时采集的图像。 系统所需的前端设备少，连线简洁，后端仅需一套软件系统即可。2) 可靠性：基于网络摄像机视频采集系统的核心设名网络摄像机，采用了嵌入式实时 操作系統，如linux操作系统、WinCE操作系统等，这些系统经过剪裁后性能稳定、可靠，且 图像传输是通过综合布线网络实现的，系统的可靠性是相当高的。3) 性价比高：基于网络摄像机视频采集系統所需设备极其简単，系统的控制完全由后端的 软件系统实现，省去了传统模拟监控系统中的大量设备，如昂贵的矩阵、画面分割器、切換器 等。由于图像的传输通过综合布线网络，省去了大量的视频同轴电缆，降低了系统成本。4) 安全性：基于网络摄像机视频采集系统设置了不同等级的使用者权限，仅有最高级权限 的用户才可对整个视疆集系統进行设置或更改。没有权限的用户是无法接收到视频采集系统 的图像的，这样有效的阻止了未授权用户对系統的破坏，因而整个系统的安全性非常高。5) 使用及维护性：基于网络摄像机视频采集系统的安装极其简単，软件系統的安装及_ 也非常易懂。在维护性方面，系统的接线十分简洁，而主要设备的可靠性很高，维护性好，而 且可实现远程维护。6) 扩展及延伸性：当需要増加监控点吋，只需要通过现有网络増加一台摄像机或PC机即 可，而不需要对现有布线系统做什么改动。1.2网络摄像机国内外发展状况在网络摄像机领域，目前市场上主要有以下几大厂商分别是:索尼、松下、JVC、佳能、三 星、日立以及三洋等。资料显示，作为数码摄像机的领军企业，目前索尼不仅占有50%以上的 市场份額，同时还掌握着大量核心技木，一直引领数码影像行业的发展方向。而松下是全球仅 次于索尼的第二大数码摄像机生产厂商，两者联手占据了全球逾80%的DV市场份額。2003 年9月，索尼、佳能、夏普和JVC四巨头联合制定高清摄像标准HDV，2004年9月，索尼发 布全世界第一部民用高清(符合HDV10801标准)网络摄像机HDR-FXIE，HDV的记录分辨率 达到了 1440X1080, 7K平扫描线比DVD増加了一倍，清晰度得到很大的提升2。2006年5月， 松下电器产业株式会社和株式会社索尼联合推出一项高清视频摄像新格式AVCHD，该格 式将现有DVD架构(即8cm DVD光盘和红光)与一款基于MPEG4 AVC/H.264先进压缩技术的 编解码器整合在一起12，使H.264是广泛运用于网络摄像机系统。可以说索尼推动了整个网络 摄像机行业的发展，并且在它的带动下，越来越多的厂商加入到了网络摄像机的研制行列之中， 使得网络摄像机技术在民用市场曰趋成熟，各大公司都相机推出了多款网i嫌像机。目前，中国的监控类摄像机产量已成为全球之最,规模以上的厂家就超过十家。但由于CCD 的核心技术与DSP技术还掌握在国几家企业里，我国的发展经常受到曰、韩等国外产品的压 制。总体来看，其产品多覆盖至低端用户群。但我国凭借多年来在技木、研发、营销体系等各 方面的积累，尤其是对视频监控数字化、网络化的深刻理解及在技术方面储备迅速打开局面。 由于这支新生力量的注入，必将会为中国网络摄像机市场的竞争格局带来巨大的改变。据了解， 近年来，海康威视、大华、大立、中联盾、天地伟业、美电贝尔、金三立、联视、等都推出了 自己的网络摄像机3。1.3本文主要研究内容本文对基于CCD图像传感器的图像采集和处理系统进行了深入细致的研究分析，设计了 基于ICX267AK的网络视频采集系統，并从系统的硬件设计和系統软件实现两个方面，论述了 视脈集系統的特点和功能。实现了图像采集和数据传输两大功能。本文的组织结构安排如下:第一章为绪论，本章分为三部分内容。第一部分介绍了视频采集系統的发展历程，第二部 分分析了基于网络摄像机视频采集系统的特点和应用，最后详细的介绍了国内网络摄像机的 发展情况。第二章为ICX267AK图像传感器的工作原理。本章分为两部分内容。第一部分分析了 CCD 传感器的结构和工作原理，并对CCD传感器和CMOS传感器在灵敏度、成本、噪声、功耗等 方面进行了対比，第二部分分析了面阵CCD传感器ICX267AK的结构和工作过程。第三章为基于ICX267AK网络摄像机的硬件电路设计。本章分为三部分内容。第一部分根 据本文的总体设计要求阐明了硬件系统总体设计方案，把整个系统分为五个模块，分别为电源 模块、ICX267AK时序驱动模块、放大及AD转化模块、图像采集模块和网络传输模块，井分 析了各个模块的作用。第二部分具体介绍了各个模块的硬件电路实现方法。第三部分分析了 PCB的制作需要注意的问题并给出了本系统最后设计的PCB原理图和实物图。第四章为ICX267AK驱动时序设计和AD9949A寄存器设置。本章分为两部分内容，第一 部分在分析CCD传感器ICX267AK驱动时序的基础上，利用VHDL语言设计了 ICX267AK驱 动时序；第二部分主要分析了 AD9949A各个功能模块的寄存器设置、AD9949A初始化的流程, 最后利用VHDL设计了 SPI串口访问AD9949A寄存器的程序。第五章为基于S3C6410处理器的图像采集和预处理。本章主要分为三部分内容，第一部分 介绍了嵌入式系统的搭建；第二部分从Linux驱动层方面设计了基于S3C6410处理器的图像采 集软件；第三部分利用双线性插值法实现了将采集到的BAYER阵列转化为24位RGB真彩图 像。第六章为JPEG图像压缩与图像传输设计。本章主要分为两部分内容，第一部分分析了 JPEG 图像压缩算法并利用IJG库实现了图像的压缩；第二部分根据系统的要求设计了基于TCP的网 络传输系统。第七章为结论与展望部分。对全文进行了概括性总结，井指出了本文的不足之处以及有待 进一步改进的地方。5第二章ICX267AK图像传感器的工作原理2.1 CCD传感器的结构及工作原理固体图像传感器(SSIS)是现代获取视觉信息的一种基础器件，它能实现视觉信息的获取并 将其转换为电信号，然后送入图像处理器进行处理。因而它能给出直观、真实、层次多、内容 丰富的可视图像信息，在现代社会生活的方方面面都得到了广泛的应用。目前固体图像传感器 一般认为主要有三种类型：第一种是电荷耦合器件CCD;第二种是互补金属氧化物半导体器件 CMOS；第三种是电荷注入器件CID,其中前两种类型用的比较多。固体图像传感器由固体图 像敏感器件、驱动电路和信息处理电路组成。固态图像敏感器件一般可分为一维图像敏感器件 和二维图像敏感器件。2.1.1 CCD传感器的结构全厘电极图2.1 MDS 电#CCD传感器是固态图像敏感器件中的一种，它是在MOS晶体管的基础上发展起来的，其 基本结构是MOS电容器(金属I化物一半导体)。它的构成原理可分为三歩：第一步，在半导 体P型娃作衬底的表面上用氧化的办法生成-层Si02,第二歩，在Si02表面蒸渡上一层金属， 第三步，在衬底和金属电极间上一个偏置正向电压(常称为栅电压)，这就构成了一个MOS电 容器。CCD传感器就是由一行行紧密排列在硅衬底上的MOS电容器阵列构成的。其结构如图 2.1所示。P型硅里的多数载流子是带正电的空穴，少数载流子是带负电的电子，当在金属电极上施 加正电压时，其电场能对这些载流子进行排斥或吸引。于是空穴被排斥到远离电极处，电子被吸引到氧化层附近形成负电荷层(耗尽层)，这种现象便形成了陷阱，电子一M进入陷阱就不能 夏出，故又称为电子势阱。2.1.2 CCD传感器的工作原理CCD的工作过程一般分为四个步骤：信号电荷的产生、信号电荷的存储、信号电荷的转移 和信号电荷的检测61。1) 信号电荷的产生：CCD工作过程的第一步是电荷的产生，电荷的产生是在设定的积分时 间内由光敏单元对光信号进行取样，将光的強弱转换为各光敏単元的电荷多少。CCD将入射光 信号转换为电荷输出，依据的是半导体的光电效应(也就是光生伏特效应)。当入射光照射到CCD传感器上吋，在栅极附近的半导体内就产生了电子-空穴対，正电荷 被栅极电压排开，负电荷被收集在势阱内形成信号电荷。入射光注入CC.D传感器中的电荷量 可用式表示71:Q= nqAnAT(2.1)式2.1中，n为材料的量子效率，q为电子电荷量，An为入射光的光子流速率，A为光 敏单元的受光面积，T为入射光注入时间。当CCD传感器确定后，q、q、和A都是定值，因 而信号电荷Q与光子流速 n和入射时间T成正比。注入时间是由CCD的曝光时间決定的， 假设CCD传感器的驱动时序中把曝光时间固定，那么注入到CCD传感器中的电荷量就只与入 射光的光子流速成正比。图2.2是光生电子示意图。图2*2光生电子2) 信号电荷的存储：CCD工作过程的第二步是信号电荷的收集，就是将入射光子激励出的 电荷收集起来并转化为信号电荷包的过程。在栅极G施加正偏电压6前，p型半导体内的空穴(带正电)是均匀分布的，当栅极施加电压0 (c小于/,)后，空穴被排斥产生耗尽区，如图2.3所示。当偏压増大时，耗尽区进一步向半导体内延伸，当偏压大于,吋，半导体与绝缘金融极U(；Uth图2J 信号电荷存储金属电极氧化物半导体体界面上的电勢r1RJ-451接口N步信号.1!i I!图像采集模块网络传输模块CCD时序驱动模块 放大及AD转化模块图3.1系统樹權图本系統共分为五个模块，分别为电源模块、CCD时序驱动模块、放大及AD转化模块、图 像采集模块和网络传II模块。其中，FPGA是本系统的核心控制部分，一方面为CCD传感器 ICX267AK搬驱动脉冲信号，这些驱动信号包括两路水平驱动信号、三麵直驱动信号(其中 第二路華直驱动分为两路F心、Vm)电荷清零信号舛G、基板偏压信号妗；另一方面，通过SPI三线串行方式初始化AD9949A的寄存器，同时提供了两路同步信号(场同步信号、行基于ICX267AK网络摄像机主要完成以下三个功能：一、为CCD传感器ICX267AK提供 正确的驱动时序，使其将光信号转化为电信号；二、将ICX267AK输出的模拟信号转化为数字 信号，并将数字信号采集到S3C6410处理器中；三、将采集的图像数据经过压缩处理转化为jpg 文件，并将jpg文件通过网络传i倒PC社。因而根据本系统实现以上三个功能的要求，本文 设计了硬件电路的总体结构，本系统的总体结构如图3.1所示。13长安大学硕士学位论文同步信号)，这两路同步信号完成了模数转化和数据采集的同步；另外FPGA还为AD9949A提 供了消隐信号和黑电平箝位信号。电源模块主要为整个系统的各个模块提供电源解决方案;CCD时序驱动模块是将FPGA输 出的驱动信号经过各种电平转化电路转化为符合CCD要求的驱动信号；放大及AD转化模块 主要功能是将CCD输出的模拟信号进行预处理(包括相关双采样、可变增益放犬)后转化为数字 信号；图像采集模块主要功能是将AD输出的数字信号采集到S3C6410处理器中，即将电信号 转化为BAYER图像阵列并将BAYER图像阵列恢复为RGB真彩图像；网络传输模块主要功 能是将RGB图像经过JPEG压缩后传输到PC机上。3.2基于ICX267AK网络摄像机硬件电路详细设计3.2.1 ICX267AK 驱动电路ICX267AK是一款高速面阵CCD图像传感器，由第二章的图2.6可以看出，该传感器的驱 动信号由水平驱动信号、華直驱动信号、基板偏压信号、电荷读出信号和电荷清零信号組成。 水平驱动信号的作用是控制水平存储单元中的电荷一位一位的向左转移到输出放大器中；垂直 驱动信号的作用是控制电荷从垂直存储单元中向水平存储单元中转移；基板偏压信号的作用是 接通垂直存储单元和水平存储单元之间的通道，使垂直存储单元中的电荷可以向水平存储单元 转移；电荷读出信号的作用是把光敏単元中积分的电荷转移到華直存储单元中；电荷清零信号 的作用清除水平存储单元中残余的电荷。这些驱动信号的偏压各不相同，而且各个偏压要求非 常严格，稍有不慎就有可能永久性的损毁器件。因此，为了能使ICX267AK正常工作，必须给 每个驱动信号配置合适的驱动电压和驱动频率。各驱动信号的电压要求如表3.1所示。表3.1各驱动信号的电压要求驱动信号名称高电平(V)低电平(V)备注VVy.2A、vRG3.30电荷清零信贵频率为28.636MHz)SUB180麵偏压信号如表3.1所示，电荷清零信号的要求电压为3.3V，所以该信号不需要转化，可直接由FPGA 提供。其它四类驱动信号都必须加电压转化电路将电腿行转化。其中电荷读出信号(、)的电压要达到0V+15V，垂直驱动信号(心、V+2A、)的电压要达到-8VV，水平驱动信号(,、2 )电压要达到0V+5V，鎌偏压信号妗要达到OV+18V,这些歯动信号是由FPGA驱动的，而FPGAIO 口的驱动电平是TTL电平，而且驱动电压只有3.3V，无 法满足ICX267AK的各个驱动信号的电压要求，因此需要在TTL电平后面施加电压转换电路， 使各个驱动信号的电压达到ICX267AK的要求电压，然后才能送到ICX267AK的引脚上。7尺平 驱动信号的电压转化是通过NC7SZ04来完成的，垂直驱动信号、基板偏压信号和电荷读出信 号的电压转化是通过CXD1267AN完成的 图3.2是该模块的电路原理图：图3*2 ICX267AK驱动电路ICX267AK的垂直驱动信号、电荷读出信号、和纖偏压信号是逝CXD1267AN进行转 化的，垂直驱动信号和电荷读出信号进过电压转化后输入到ICX267AK的1、2、3、4脚，基 板偏压信号进过电压转化后输入到ICX267AK的13脚。两路水平驱动信号经过NC7SZ04转化 后输入到ICX267AK的19、20脚。ICX267AK的10脚连接了一个场效应管，构成了模拟信号 的输出端。CXD1267AN是一款专为CCD图像传感器提供垂直驱动信号的驱动芯片，并且该芯片内 部集成了 4.0F -18.5F的基板偏压信号，其内部结构图如图3.3所示。图3*3 CXD1267AN内部结构图由图可得： 5脚、15脚构成了一个非门，6脚、7脚和14脚构成了一个与非门，8脚、9 脚和12脚构成了一个非门，10脚和11脚构成了一个与非门，根据CXD1267AN的内部结构图和CXD1267AN的输入输出关系可得图3.2对应的输入和输出关系，如表3.2所示:表3.2 CXD1267AN真值表输入输出XVIXV2AXSG1XV3XV2BXSG2XSUB4V料SUBLLVHHLZLHVMHHVLLHLVM表3*2 CXD1267AN真值表（续)XVIXV2AXSG1XV3XV2BXSG2XSUB丨v,2Ay,2BSUBHVlLLVHHLZLHVMHHVLLVHHVL其中L为输入的低电平OV，H为输人的高电平3.3V，输出电平可有三种电平状态，分別 为6、4、匕，6为15V，匕为参考地0V，匕为-8。本文姻CXD1267AN实现了将FPGA输出的13V垂直驱动信号、基板偏压信号、电荷 读出信号转化为ICX267要求的电压。NC7SZ04为高速单通道电压转换器，其内部结构图如图3.4所示。Vcc：为电源端，GND为 接地端，A为输入弓丨脚，Y为输出引脚。NC15图3.4 NC7SZ04内部结构图AGND它的输入输出关系如表所示：表33 NC7SZ04賺入输出输A(a)输出(Y)LHHL17长安大学硕士学位论文 图3.8像素控制原理图19本文使用NC7SZ04实现了将FPGA输出的3.3V 7_K平驱动信号转化为5V驱动信号。3.2.2放大及AD转化模块AD9949A是高速的12位CCD专用AD转换芯片，他的最大工作频率是36M。AD9949A 包括模拟前后端(anolog front end包括暗铅位电平、CDS相关双采样、像素增益放大器PxGA、 VGA增益控制)、可编程的4路水平时序生成器、RG复位信号生成器、可编程的高精度时钟生 成器和12位ADC。AD9949A的内部结构图如图3.5所示。AD9949A主要提供了以下几个功能：(1) 高精度时钟内核：高精度时钟内核棚一个IX主时钟输入(CLI)作为参考。此时钟的 频率应与CCD像素时钟频率一致。图3.6显示了高精度时钟内核如何将主时钟周期分为48个 边沿位置。高精度时钟内核的边沿分辨率约为CLI/48。这种独特的架构使它能精确的控制CCD 像素的读取时间和CDS相关双采样时间，从而成为系统设计人员优化图像质量的不二之选。P0P12P24P36P48=P0IIIII(2) 相关双采样：CCD输出的模拟信号在AD9949A内部首先经过相关双采样电路对每个像 素信号进行两次采样，用来提取视频中有用信息并抑制低频噪声。由于CCD输出的每个像素的模拟信号中既包