一种高速线阵CCD图像数据采集系统【精品论文】 .pdf

第2 6 卷第8 期增刊仪器仪表学报 2 0 0 5 年8 月 一种高速线阵c c d 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1 1 6 0 2 3 ) 摘要介绍了一种可用于小颗粒物质色选的高速线阵c c d 图像数据采集系统。文中介绍了c c d 传感器元件r l l 0 2 4 p 的驱 动设计方法和采用图像数字转换器x r d 9 8 l 5 9 对c c d 输出信号进行高速a d 转换的设计方法。设计全部采用v e r i l o g 语言 进行硬件描述，并利用i s e4 2 软件对所设计的各部分电路进行仿真，最后对f p g a 器件进行了编程和硬件的电路调试，实 现了c c d 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 i m a g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi nh i g h s p e e dl i n e a rc c d l im i n g w e i h u a n g g el i uj i n g r u ( d e p t o fe l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g ，d a l i a nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，d a l i a n116 0 2 3 ，c h i n a ) a b s t r a c tah i g h s p e e dl i n e a rc c di m a g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e df o rc o l o rs e l e c t i n go ft i n yp a r t i c l e t w ot e c h n i q u e sw e r ed i s c u s s e da b o u td r i v i n gt h ec c dc a m e r a - r l1 0 2 4 pa n dh i g h s p e e da dc o n v e r s i o no n c c do u t p u ts i g n a lb yu s i n gi m a g ed i g i t i z e rx r d 9 8 l 5 9 t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nw a st o t a l l yr e a l i z e db yu s i n g v e r i l o gl a n g u a g e u s i n gi s e4 2s o f t w a r eh a dc o m p l e t e dt h i ss i m u l a t i o no fe v e r yc i r c u i t a f t e rp r o g r a m m i n ga n f p g ac h i pa n dd e b u g g i n gt h eh a r d w a r ec i r c u i t s ，t h ec c di m a g ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw a sr e a l i z e d t h ed e s i g ni sn o v e la n dp r a c t i c a l 。a n dt h em a i nt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sh a v eb e e na t t a i n e d d u et oi t se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，t h es y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yu s e di nc o l o rs e l e c t o rs y s t e mt og a i na ni d e a ld i g i t a li m a g e k e yw o r d s l i n e a rc c d i m a g ed a t aa c q u i s i t i o nf p g a ( f i e l dp r o g r a m m i n gg a t ea r r a y ) 1 引言 c c d 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c c d 技术结合 f p g a 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。 c c d 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。r l l 0 2 4 p 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c c d 工作速度为1 0 m h z ，输出的视频信号经 过相关双采样的x r d 9 8 l 5 9 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。 c c d 驱动时 序发生器 x c s 4 0 x l 主 时序控制 数字转换 器驱动时 序发生器 生 x r d 9 8 l 5 9 图1系统构成框图 r l l 0 2 4 p 是p e r k i n e l m e r 公司生产的p 系列二相 线阵1 0 2 4 象元摄像器件，每个光敏单的尺寸为1 4 t - 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c c d 图像数据采集系统 7 1 7 时钟信号，光电信号，电子曝光控制信号。 x r d 9 8 l 5 9 是e x a r 公司生产的图像数字转换器， 它是c c d 视频信号处理a s i c ，包括相关双采样 ( c d s ) ，可编程增益放大( p g a ) ，可控制偏移校正等强 大功能。其内部集成了1 0 b i t 分辨率，2 0 m s p s 的 a d c 。 x c s 4 0 x l 是x i l i n x 公司生产的s p a r t a n x l 系列 的f p g a ，它具有4 万个系统门，包括逻辑门和片内 r a m 。系统时钟可达8 0 m h z 。 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 i s e4 2 开发环境下设计完成并经编译、校验后下载 到f p g a 器件内部的。其中主要包括线阵c c d 驱动 控制和x r d 9 8 l 5 9a d 转换控制和数据的读取。 3 1r l l 0 2 4 pc c d 驱动电路设计 c c d 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 - t 6 。 一三总 ! 三罱ii i ! ： ! ! h i nr 1 o 鹏 ：产d ： l o 。il f i 斗二! ：= io 。；乒一t e j e ! ：二二； o 。盈卜磁圃蕊圆飚厂 。趣 o ，九h ： o i 几厂 。煎 图2 线阵c c dr i 。0 2 4 p 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 5 m h z ，它由系统时钟1 0 m h z 四分频后逻辑运 算所得。两相时钟信号s 。和s 。的频率应为s r g 的1 2 ， 即1 2 5 m h z ，同时为了避免m o s 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 s t g 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 2 5 m h z 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s t g 是使m o s 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5 2 6 0 8 肛s ，s ，。一1 的时间应小于s 。的宽 脉冲。一旦转移信号s t g 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s t g 一1 的时 间宽度。电子曝光控制信号s a b 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，s a b 置低电 平。该电路设计的仿真波形如图3 所示。 图3r l l 0 2 4 p 的驱动电路仿真图 3 2x r d 9 8 l 5 9 图像数字转换器控制电路设计 c c d 传感器输出的图像信号噪声中以c c d 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x r d 9 8 l 5 9 驱动中，应对亚象元0 b 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c a l 和c l a m p 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。c a l 和 c l a m p 是两个行时钟控制信号，它有两种操作模式： c a l & c l a m p 模式和c a lo n l y 模式。在该设计 中，采用c a l & c l a m p 模式。在此模式中用c a l 定 义行尾o bp i x e l ，用于暗电平定标，c l a m p 定义行头 的o bp i x e l 。 图4 是x r d 9 8 l 5 9 控制时序仿真图，图中y r 为 c c d 的复位信号，p l l 为c c d 的两相驱动时钟信号中 的一相。s b l k ，s p i x 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4x r d 9 8 1 。5 9 控制时序仿真i 冬4 4 结束语 设计的用于色选系统的线阵c c d 图像数据实时 采集系统在f p g a 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7 2 0 页) 7 2 0仪器仪表学报第2 6 卷 水平垂直运算整合的方式，同样通过“群组像素”的搭 配。x 3 也可以达到超高i s o 值( 必须消减分辨率) ，高 速v g a 录画速率。比超级c c d 更强悍的在于x 3 每 一个p i x e l ( 像素) 都可以感应三个色彩值，在理论上来 说，x 3 的动画拍摄在相同速度条件下，可能比s u p e r c c di i i 还来得更精致。 为了应对激烈的市场竞争和由以c m o s 为代表 的其他光敏器件的快速发展，其他的c c d 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。 3c c d 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，c c d 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c c d 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c c d 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c c d 传感器的工作电压、减少功耗 初期研制的c c d 摄像机有+ 2 4 v 、+ 2 2 v 、+ 1 7 v 和+ 5 v 等，目前通用的为+ 1 2 v 。为配合p c 摄像机和 网络图像传输的应用，逐步以+ 1 2 v 和+ 5 v 为主。 ( 4 ) 提高c c d 摄像机的制造效率 为了降低c c d 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c c d 摄像 机的小型化。到目前为止，已实现多层板的m u l t i c l i i p m o d u l e ( m c m ) 多芯片集成模组化制造技术。 ( 5 ) c c d 摄像机的数字化 在制造c c d 摄像机时，从以往的a n a l o g 模拟系 统逐步实现d s p 数位化处理，可以借助电子计算机和 专门软件系统实现对c c d 摄像机，特别是对彩色 c c d 摄像机的各种参数的量化调整，可以确保c c d 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，c c d 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c c d 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2 0 0 0 年后，c c d 技术的 发展一下子加快起来，新型结构的c c d 不断进入市 场，c c d 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。c c d 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c c d 的过去、现状和未来激光与光电子学进 展，1 9 9 5 ( 1 0 ) 2s h e f f e rd r a n d o ma d d r e s s a b l e2 0 4 8 2 0 4 8a c t i v ep i x e l i m a g es e n s o r j i e e et r a n s e l e c t r o nd e v i c e s ，1 9 9 7 ， 4 4 ( 1 0 ) ：1 7 1 6 1 7 2 0 3 l r p p i n og a d e s i g no fa n8 1 9 2 8 1 9 2p i x e lc c dm o s a i c p r o c s p i e ，1 9 9 4 ，2 1 9 8 ：8 1 0 4n o r b e r ts c h u s t e r g e o m e n t r i c a ln o i s eb a n d w i d t h ：an e w t o o lt oc h a r a c t e r i z et h er e s o l v i n gp o w e ro fa n a l o g u ea n d d i g i t a li m a g i n gd e v i c e s p r o c s