毕业设计（论文）-基于CCD图像采集系统的设计.pdf

-i 基于基于基于基于 ccdccdccdccd 图像采集系统的设计图像采集系统的设计图像采集系统的设计图像采集系统的设计 摘要摘要摘要摘要 随着数码相机的问世，图像采集技术也在不断提高。且随着新型图像数据 形式的不断涌现及图像处理技术的不断深入图像处理技术仍在不断发展和完善 之中。 图像传感器是一种可以将光信号转换成电信号的器件，而 ccd 图像传感器 的输出信号能够不失真地将光学图像转换成电荷信号。本文选用的 ccd 传感器 是一款面阵型芯片 icx205al，并以此为核心完成了图像采集系统的设计。本 文以复杂可编程逻辑器件 cpld 为载体，使用 verilog 描述语言实现了驱动时序 设计完成了对 ccd 图像传感器的控制。 硬件方面，本文提出了总体设计方案，阐述了系统的结构和工作原理。介 绍了系统中主要芯片的性能和作用。研究了系统硬件电路模块的设计及其功 能。采用 proteus 作为 pcb 板的设计开发工具。并且本文运用了模块化的设 计，这样模块内部的改动也不会对系统整体造成影响。 软件方面本文仔细研究了 ccd 图像传感器的驱动时序信号，对它们相互之 间的关系和各自具体的要求都进行了详细分析，以此为依据，提出采用 mcu 和 cpld 相结合的方式来实现 ccd 图像传感器的驱动。 关键词关键词关键词关键词 ccd 图像传感器；cpld；verilog 硬件描述语言 哈尔滨理工大学学士学位论文 -ii basedbasedbasedbased onononon ccdccdccdccd imageimageimageimageacquistionacquistionacquistionacquistion systemsystemsystemsystem abstractabstractabstractabstract with the advent of digital cameras ， image acquisition technology has improvedand with the new emerging forms of image data and image processing technology continues to further image processing technology is still evolving，and perfection image sensor is a light signal will be converted into electrical signal device，the ccd image sensors output signal without distortion to the optical image is converted into a charge signal this use of the ccd sensor is a surface formation chip icx205al，and use it as the core to complete the image acquisition systemthis paper complex programmable logic device cpld as the carrier ， useverilog description language implementation of the drive timing design is completed on the control of ccd image sensor hardware，this paper design programit describes the structure and working principleintroduced a system of performance and role of the main chipsof the system hardware design and function module using proteus as the pcb board design and development toolsand the paper uses a modular design，this module will not change within the overall system impact software，this paper studied the ccd image sensor of the drive timing signal the relationship between them and their specific requirements are analyzed in detailon this basis，about the use of mcu and cpld to implement a combination of ccd image sensor driver keywordskeywordskeywordskeywordsccd image sensor；cpld；verilog hardware description language 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 目录目录目录目录 摘要.i abstractii 第 1 章 绪论1 1.1 课题景背.1 1.2 国内外文献综述.1 1.3 论文研究内容.3 第 2 章 ccd 图像传感器系统的总体设计.5 2.1 ccd 图像传感器的结构和工作原理.5 2.1.1 基本结构5 2.1.2 工作原理5 2.2 ccd 图像传感器的分类.6 2.2.1 线阵 ccd 图像传感器6 2.2.2 面阵 ccd 图像传感器6 2.3 ccd 图像采集系统总体方案及特点.7 2.4 ccd 图像采集系统的关键技术分析.8 2.5 本章小结.9 第 3 章 ccd 图像采集系统的硬件设计.10 3.1 ccd 图像传感器及其驱动模块.10 3.2 系统的核心部分.11 3.2.1 mcu 芯片.11 3.2.2 cpld 芯片12 3.3a/d 模块 14 3.4 外部存储器模块.15 3.4.1 flash 存储器. 15 3.4.2 sram 存储器.15 3.5 usb 数据传输部分. 17 3.5.1 usb 芯片的选型 17 3.5.2 模块电路设计17 3.6 接口部分.19 3.7 抗干扰.20 3.8 本章小结.21 第 4 章 ccd 图像采集系统软件设计.22 4.1 ccd 图像传感器驱动时序.22 4.1.1 启动周期中的驱动时序关系分析22 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 4.1.2 转移周期中的驱动时序关系分析22 4.2 驱动时序实现.23 4.2.1 mcu 实现部分.24 4.2.2 cpld 实现部分25 4.3 usb 数据传输. 27 4.3.1 usb 固件程序设计 27 4.3.2 usb 驱动程序设计 27 4.3.3 主机应用程序设计28 4.4 本章小结.29 结论30 致谢31 参考文献32 附录 a34 附录 b 41 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 1 - 第第第第 1 1 1 1 章章章章 绪论绪论绪论绪论 1.11.11.11.1 课题景背课题景背课题景背课题景背 近年来，随着工业的发展和安全意识的增强，对生产监测和控制的要求不 断提高，在设备检测、安全监控、自动测量等工业测控领域，都需要有性能 好、成本低、工作稳定、应用灵活方便的图像采集和处理系统。而 ccd 图像传 感器正是目前常用的图像传感器之一。 ccd 是 charge coupled device 的缩写,是一种光电转换式图像传感器。它利 用光电转换原理把图像信息直接转换成电信号，这样便实现了非电量的电测 量。同时它还具有体积小、重量轻、噪声低、自扫描、工作速度快、测量精度 高、寿命长等诸多优点，因此受到人们的高度重视，在精密测量、非接触无损 检测、文件扫描与航空遥感等领域中，发挥着重要的作用。 20 世纪 70 年代美国贝尔实验室的 w.s.boyle，g.e.smith 发现了电荷通过 半导体势阱发生转移的现象，提出了电荷藕合这一新概念和一维 ccd 器件模 型，同时预言了 ccd 器件在信号处理、信号储存及图像传感中的应用前景。近 年来随着半导体材料与技术的发展，尤其是集成电路技术的不断进步，ccd 图 像传感器得到很大发展，性能迅速提高。同时 ccd 图像传感器的家族也在不断 壮大。在原有的可见光 ccd、红外 ccd、微光 ccd、紫外 ccd 和 x 射线 ccd 等各种 ccd 图像传感器的基础之上，90 年代以来又出现了几种新的 ccd 图像传感器，例如：超级空穴堆积 ccd、超高感度空穴堆积 ccd、超级 ccd 和四色超级空穴堆积 ccd 。世界上 ccd 图像传感器主要由索尼、富士、夏 普、柯达、松下和菲利浦六家公司所生产。国内 ccd 图像传感器的研制不够迅 速，尚未形成大规模的生产能力，与国际先进水平还存在较大的差距1。 1.21.21.21.2 国内外文献综述国内外文献综述国内外文献综述国内外文献综述 四十年来，ccd 器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图 像传感和非接触测量领域的发展更为迅速。随着 ccd 技术和理论的不断发展， ccd 技术应用的广度与深度必将越来越大。ccd 是使用一种高感光度的半导体 材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数 转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号，这种数字信号经过压缩和程序排 列后，可由闪速存储器或硬盘卡保存即收光信号转换成计算机能识别的电子图 像信号，可对被侧物体进行准确的测量、分析。 含格状排列像素的 ccd 应用于数码相机、光学扫瞄仪与摄影机的感光元 件。其光效率可达 70%(能捕捉到 70%的入射光)，优于传统菲林（底片）的 2%，因此 ccd 迅速获得天文学家的大量采用。 传真机所用的线性 ccd 影像经透镜成像于电容阵列表面后，依其亮度的强 弱在每个电容单位上形成强弱不等的电荷。传真机或扫瞄仪用的线性 ccd 每次 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 2 - 捕捉一细长条的光影，而数码相机或摄影机所用的平面式 ccd 则一次捕捉一整 张影像，或从中撷取一块方形的区域。一旦完成曝光的动作，控制电路会使电 容单元上的电荷传到相邻的下一个单元，到达边缘最后一个单元时，电荷讯号 传入放大器，转变成电位。如此周著复始，直到整个影像都转成电位，取样并 数位化之后存入内存。储存的影像可以传送到打印机、储存设备或显示器。 在数码相机领域，ccd 的应用更是异彩纷呈。一般的彩色数码相机是将拜 尔滤镜(bayer filter）加装在 ccd 上。每四个像素形成一个单元，一个负责过滤 红色、一个过滤蓝色，两个过滤绿色(因为人眼对绿色比较敏感)。结果每个像素 都接收到感光讯号，但色彩分辨率不如感光分辨率。 用三片 ccd 和分光棱镜组成的 3ccd 系统能将颜色分得更好，分光棱镜能 把入射光分析成红、蓝、绿三种色光，由三片 ccd 各自负责其中一种色光的呈 像。所有的专业级数位摄影机，和一部份的半专业级数位摄影机采用 3ccd 技 术。目前，超高分辨率的 ccd 芯片仍相当昂贵，配备 3ccd 的高解析静态照相 机，其价位往往超出许多专业摄摄影者的预算。因此有些高档相机使用旋转式 色彩滤镜，兼顾高分辨率与忠实的色彩呈现2。这类多次成像的照像机只能用 于拍摄静态物品。 经冷冻的 ccd 同时在 1990 年代初亦广泛应用于天文摄影与各种夜视装 置，而各大型天文台亦不断研发高像数 ccd 以拍摄极高解像之天体照片。 ccd 在天文学方面有一种奇妙的应用方式，能使固定式的望远镜发挥有如 带追踪望远镜的功能。方法是让 ccd 上电荷读取和移动的方向与天体运行方向 一致，速度也同步，以 ccd 导星不仅能使望远镜有效纠正追踪误差，还能使望 远镜记录到比原来更大的视场。 一般的 ccd 大多能感应红外线，所以衍生出红外线影像、夜视装置、零照 度(或趋近零照度)摄影机/照相机等。为了减低红外线干扰，天文用 ccd 常以液 态氮或半导体冷却，因室温下的物体会有红外线的黑体幅射效应。ccd 对红外 线的敏感度造成另一种效应，各种配备 ccd 的数码相机或录影机若没加装红外 线滤镜，很容易拍到遥控器发出的红外线。降低温度可减少电容阵列上的暗电 流，增进 ccd 在低照度的敏感度，甚至对紫外线和可见光的敏感度也随之提升 （信噪比提高） 。 温度噪声、暗电流（dark current）和宇宙辐射都会影响 ccd 表面的像素。 天文学家利用快门的开阖，让 ccd 多次曝光，取其平均值以缓解干扰效应。为 去除背景噪声，要先在快门关闭时取影像讯号的平均值，即为“暗框“(dark frame)。然后打开快门，取得影像后减去暗框的值，再滤除系统噪声(暗点和亮 点等等)，得到更清晰的细节。 天文摄影所用的冷却 ccd 照相机必须以接环固定在成像位置，防止外来光 线或震动影响；同时亦因为大多数影像平台生来笨重，要拍摄星系、星云等暗 弱天体的影像，天文学家利用“自动导星“技术。大多数的自动导星系统使用额 外的不同轴 ccd 监测任何影像的偏移，然而也有一些系统将主镜接驳在拍摄用 之 ccd 相机上。以光学装置把主镜内部份星光加进相机内另一颗 ccd 导星装 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 3 - 置，能迅速侦测追踪天体时的微小误差，并自动调整驱动马达以矫正误差。 1.31.31.31.3 论文研究内容论文研究内容论文研究内容论文研究内容 近年来，随着我国工业生产向着自动化、高效、安全的方向发展，实现对 生产运行状况的实时监测以及精确控制的工业测控领域成为一个重要的研究领 域。 但是传统的测控方法效率低并且存在诸多的制约因素。新兴的 ccd 图像传 感器具有体积小、灵敏度高、分辨率高、图像畸变小、无残像、抗冲击、耐震 动、抗电磁干扰、能长时间工作于恶劣环境、使用寿命长、信息处理容易、与 微机接口方便等诸多的优点，而且相比于 cmos 图像传感器，ccd 图像传感器 在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都有明显优势，使得它更适合用于测量。 由 ccd 图像传感器所构成的图像采集和处理系统能够安全高效地实现对生产状 况的监测，为生产的精确控制提供必要的信息，因此在我国工业测控领域具有 十分广阔的应用前景。 另外由 ccd 图像传感器、光学系统以及计算机相结合组成的系统，能获取 被测对象的更多的信息，实现快速、准确的非接触检测，显著提高测控技术水 平和自动化程度，因此在尺寸测量、表面检测、温度测量和工业机器人视觉等 工业测控领域得到了越来越广泛的应用。 目前市场上用于工业测控的基于 ccd 图像传感器的图像采集和处理系统大 部分来源于日本、美国和德国，例如日本 sony 公司的 xcd-910 系统，美国 kodak 公司的 imagestation2000r 系统。 这些国外的系统不仅价格昂贵，而且内部技术保密，高度集成化，难于根 据具体需要进行系统的调整或者升级，无法很好地满足我国工业生产的要求。 而国内自主研发基于 ccd 图像传感器的图像采集和处理系统的机构和公司不 多，只有少数几家公司推出过这种系统，像深圳国鼎科技、陕西维视、北京大 恒图像等。而且这些公司的系统在技术上和质量上都有待提高，系统性能较 低，图像分辨率尚未达到百万级，数据采集精度仅有 8 位，而且自动增益和自 动补偿损害了图像信号的真实性，不适合用于工业测量。因此面对我国工业测 控领域存在的巨大需求和现有自主技术开发上的薄弱，针对基于 ccd 图像传感 器的高性能图像采集和处理系统进行研究，使之能对于我国的工业生产进行有 效的测控，最大限度地保证产品的质量和生产的安全，并掌握其核心技术，积 累必要的技术储备和经验，打破国外的技术垄断，不仅具有巨大的经济效益， 同时具有更大的社会效益3。 论文的主要研究内容是基于 ccd 图像传感器的图像采集系统进行了深入细 致的研究，从总体方案设计、系统关键技术、系统的硬件设计和系统软件实现 等几个方面，全面论述了系统的特点和功能。设计并实现了一个采用高分辨率 面阵 ccd 图像传感器的图像采集系统。 综合本文，主要工作包括： (1)制定了基于 ccd 的图像采集和处理系统的总体设计方案，进行了模块划 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 4 - 分，分析了图像采集系统设计中的关键技术和解决方向。 (2)针对系统控制时序的具体情况提出了采用 mcu 和 cpld 相结合的实现 方案，结合 mcu、cpld 各自的器件特性，合理地利用 mcu 生成低频信号， cpld 生成高频信号，有效地实现了全局控制。 (3)深入研究了 ccd 图像传感器的驱动时序信号，以 cpld 器件为平台， 采用 verilog 语言，利用有限状态机的方法，实现了 ccd 图像传感器的正确驱 动。 本文的主要研究结构是第 1 章为绪论，简单介绍了 ccd 图像传感器发展现 状，阐明了本文的研究意义，给出了主要研究工作和论文组织结构。第 2 章为 图像采集和处理系统的整体阐述部分，阐明了系统总体设计方案，并对此方案 的性能特点进行了说明，详细分析了系统实现中的关键技术，并对系统所采用 的软硬件开发平台和相关开发工具进行了必要的介绍。第 3 章为图像采集系统 的硬件实现部分。按照图像采集部分、图像处理部分、usb 数据传输部分、其 他接口部分的划分，逐一详细描述了各个部分的实现方案和电路设计，同时对 系统设计中的抗干扰措施进行了总结，给出了系统整体的电路图。第 4 章为图 像采集和处理系统的软件实现部分。详细研究了 ccd 图像传感器的驱动时序信 号之间的配合和具体要求，采用 cpld 和 mcu 相配合的方式实现了 ccd 图像 传感器的驱动时序。结论部分对全文进行了概括性总结，并指出了本文的不足 之处以及有待进一步研究的方向。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 5 - 第第第第 2 2 2 2 章章章章 ccdccdccdccd 图像传感器系统的总体设计图像传感器系统的总体设计图像传感器系统的总体设计图像传感器系统的总体设计 2.12.12.12.1 ccdccdccdccd 图像传感器的结构和工作原理图像传感器的结构和工作原理图像传感器的结构和工作原理图像传感器的结构和工作原理 2.1.12.1.12.1.12.1.1 基本结构基本结构基本结构基本结构 ccd 是在 p 型硅(或者 n 型硅)基体上，先生一层绝缘层，厚度约为 1000a，再在绝缘层下淀积一系列间隙很小(小于 0.3um)的金属电极(称为栅极) 制成的。每一个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个 mos 电容 器，所以 ccd 基本上是由一系列的 mos 电容器组成阵列。因为它们靠的很 近，所以它们之间可以发生藕合。这样，被注入的电荷就可以有控制地从一个 电容移位到另外一个电容，这样的转移过程，实际上是电荷藕合的过程，所以 ccd 被称作是电荷藕合器件。 ccd 是由光敏单元、转移结构、输出结构组成的一种集光电转换、电荷储 存、电荷转移为一体的光电传感器件。其中，光敏单元是 ccd 中注入信号电荷 和存储信号电荷的部分；转移结构的基本单元是 mos 结构，它的作用是将存储 的信号电荷进行转移；输出结构是将信号电荷以电压或者电流的形式输出的部 分。 2.1.22.1.22.1.22.1.2 工作原理工作原理工作原理工作原理 ccd 既有光电转换功能，又具有信号电荷的存储、转移和读出功能，它能 把一幅空间域分布的光学图像，变换成为一列按时间域分布的离散信号。因 此，ccd 的基本工作原理便是信号电荷的产生、存储、传输和检测4。 2.1.2.12.1.2.12.1.2.12.1.2.1 电荷的产生电荷的产生电荷的产生电荷的产生 在 ccd 中电荷产生的方法有不少，归纳起来可以分为两大类：光注入和电 注入。 1电子空穴对其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子光注入，当 光照射到 ccd 硅片上时，在栅极附近的半导体内产生则被收集在势阱中形成信 号电荷，ccd 摄像器件的光敏单元就是光注入方式。 2电注入所谓电注入就是 ccd 通过输入结构对信号电压或者电流进行 采样，将信号电压或者电流转换为信号电荷。电注入的方法很多，最常用的方 法是电压注入法和电流注入法。 2.1.2.22.1.2.22.1.2.22.1.2.2 电荷的存储电荷的存储电荷的存储电荷的存储 构成 ccd 的基本单元是半导体 mos 结构(金属-氧化物-半导体)。如图 2-1 所示。在一定的偏压下，mos 结构成为可存储电荷的分立势阱。当在栅极上加 正偏压 ug后，半导体内的空穴被排空，产生耗尽区(此时 ug小于半导体的阀值 电压 uth)。当 uguth时，半导体与绝缘体表面上的电势如此之高，以至于将 半导体体内的电子吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层，如 2- 1(c)所示。反型层的存在表明了 mos 结构具有存储电荷的基本功能。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 6 - 栅 电 极g 氧 化 层 p型 半 导 体 反 型 层 耗 尽 层 u gu th (a)(b)(c) 图 2-1 半导体 mos 结构示意 mos 电容存储信号电荷的容量 q 与栅极电压 ug、栅极电极面积 a 和电 容容量 cox有关，具体见(2-1)公式所示： q=coxuga(2-1) 2.22.22.22.2 ccdccdccdccd 图像传感器的分类图像传感器的分类图像传感器的分类图像传感器的分类 电荷藕合器件的功能是把二维的光学图像信号转换成为一维的视频信号输 出。按照光敏单元的排列方式，ccd 可分为两大类：线阵 ccd 和面阵 ccd。 2.2.12.2.12.2.12.2.1 线阵线阵线阵线阵 ccdccdccdccd 图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 线阵 ccd 中的光电转换(光敏区)和电信号转移(移位寄存器)分开为独立的 两部分。移位寄存器部分由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽，这样就可以避 免砸在转移过程中由于感光而引起的图像不清。在光电转换部分完成电荷的积 累之后，接通转移栅(也叫传递门)，使积累的电荷迅速地转移到 ccd 的读出移 位寄存器。然后，当光电转换部分再次开始电荷积累时，一定规则的时钟脉冲 驱动电信号转移到输出端，经信号处理和放大后便可得到可用信号。 单通道的线阵 ccd 由一列光敏阵列和一个移位寄存器组成，它的转移次数 多，电荷包转移效率低。为了降低电荷包在转移时造成的损失，尽可能地减少 转移次数，又提出了双通道型线阵 ccd。这样，在相同的光敏单元的情况下， 转移次数可以降低一半，故总的转移效率比单通道的高。 2.2.22.2.22.2.22.2.2 面阵面阵面阵面阵 ccdccdccdccd 图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 面阵 ccd 成像，图像光线穿过透明多晶硅栅结构，被硅晶体结构吸收，产 生电子空穴对。在积分周期，光生电子由象元收集。各象元收集的电荷总数是 局部人射光强度和积分周期的线性函数。各象元产生的电荷在外部时钟的驱动 下依次转移，形成原始的视频信号。 常见的面阵 ccd 结构有帧转移和行间转移两种形式。 帧转移型面阵 ccd 的工作过程：当光敏面接受图像照射后，经一定时间 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 7 - (积分时间)，光敏区下的势阱内就积累和存储了一定的图像信号电荷，在光敏区 和暂存区各自的转移栅脉冲作用下把电荷图像完整快速地转移到了暂存区；紧 接着，光敏区开始积累第二帧图像信号电荷，与此同时，按存取的信号电荷在 转移脉冲驱动下，一行一行地移至水平移位寄存器，并向外输出；一旦第一帧 信号电荷全部读出，第二帧信号电荷又通过暂存区移入水平寄存器，实现连续 的读出。 行间转移型面阵 ccd 电荷藕合器件的感光行与垂直位移寄存器相间排列， 由转移栅极控制电荷的转移和输出。其工作过程为：光敏面接收图像照射后产 生图像信号电荷并存储在光敏区下面的势阱中，当积累到一定的信号电荷(经积 分时间)时转移栅开启，把光敏区里的图像信号电荷转移到各自的垂直移位寄存 器;当转移栅关闭后，光敏面继续积累图像信号电荷，垂直移位寄存器中的信号 电荷在垂直转移脉冲驱动下向下移一位，紧接着水平移位寄存器在水平移位脉 冲驱动下以极快的速度送至输出端输出，构成一行信号，如此重复直把刚才垂 直移位寄存器中的所有信号电荷输出，此时才完成一帧图像信息的变换工作。 帧行转移型面阵 ccd 电荷藕合器件是在行间转移型的基础上加上场存储区 而构成的成像光照区完成光生电荷的积累，各像素单元的电荷包被快速转移到 垂直位移寄存器中，紧接着又以极快的速度转移到场存储区中，再把场存储区 的信号电荷依次输出，形成一场图像的电信号5。 2.32.32.32.3 ccdccdccdccd 图像采集系统总体方案及特点图像采集系统总体方案及特点图像采集系统总体方案及特点图像采集系统总体方案及特点 图像采集系统是由光学系统、ccd 图像传感器及其驱动模块、a/d 采样模 块、mcu 和 cpld 共同构成的核心处理模块、sram 和 flash 构成的外部存储 器模块、usb 数据传输模块等部分组成，如图 2-2 所示。 在由 mcu 控制下的 cpld 生成的驱动时序的作用下，ccd 图像传感器采 集被测物体的图像信号，完成光电转换，并将转换后的信号送入 a/d，经过采 样转化为数字化信号，这些信号可以暂时存储在 sram 存储器中，也可以直接 经由 usb 接口传输给计算机进行显示和处理。 该设计方案具有以下特点： 1采用模块化设计，可以缩小问题出现的范围，方便于调试，还可以通过 更新其中相应的模块来改进系统性能或增加功能，使得系统具有可扩展性和很 好的适应性。 2采用 mcu 和 cpld 相结合作为系统的控制核心，参考了其各自的性能 特点，对低频信号和高频信号分别加以实现，合理利用了器件资源，保证了系 统工作的高效性。 3使用低成本、高性能的 cpld 器件，不仅降低了系统设计成本，而且通 过编程并下载程序，可以结合具体情况对其内部的硬件逻辑实现进行反复调 整，也可以增加新的功能而不必更改电路的设计，具有很大的灵活性。 4采用 jtag 接口，可实现在线编程，便于在调试中现场调整相关程序。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 8 - 光 学 系 统 c c d图 像 传 感 器 驱 动 电 路c pl d a/d采 样 sr a m存 储 器m c u flash存 储 u s b接 口 电 路计 算 机 图 2-2 ccd 图像采集系统总体设计方案 2.42.42.42.4 ccdccdccdccd 图像采集系统的关键技术分析图像采集系统的关键技术分析图像采集系统的关键技术分析图像采集系统的关键技术分析 根据本系统的特点，需要解决的关键技术主要有： 1图像传感器的驱动电路设计 该系统采用的图像传感器是高分辨率的面阵 ccd 图像传感器，要使得该器 件正常工作并获得高质量的图像，必须严格按照其驱动时序的要求给予合适的 驱动信号，因此需要设计专门的驱动电路来实现这些驱动信号。 2信号采样电路设计 由于要实现系统的高精度、高速的设计要求，采样芯片必须使用高速高精 度的 a/d。另外，该部分的时钟信号也必须同 ccd 图像传感器部分的驱动信号 配合起来，这样才能切实采集到正确的图像信号。因此如何使用高速高精度的 a/d 准确采集到需要的图像信号将是本文研究的重点。 3核心处理模块设计 设计中采用 mcu 和 cpld 共同作用来实现整个系统的核心处理。针对 mcu 和 cpld 各自的器件特性，由 mcu 负责实现系统时序控制中的低频信 号，cpld 则负责实现其中的高频信号。为了整个系统功能的实现，必须保证 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 9 - 这些信号之间的严格同步和有序配合，因此细致编程设计实现该部分时序控制 将是本文最终能否达到既定目标的关键。 4数据传输电路设计 由于系统中的图像数据传输需要满足较高的速率，因此在设计中采用usb 器件来实现6。 2.52.52.52.5 本章小结本章小结本章小结本章小结 本章简单介绍了 ccd 图像传感器的结构和工作原理以及分类，提出了该系 统的总体实现方案，阐明了此方案的性能特点，并对系统实现中的关键技术做 了分析。 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 10 - 第第第第 3 3 3 3 章章章章 ccdccdccdccd 图像采集系统的硬件设计图像采集系统的硬件设计图像采集系统的硬件设计图像采集系统的硬件设计 3.13.13.13.1 ccdccdccdccd 图像传感器及其驱动模块图像传感器及其驱动模块图像传感器及其驱动模块图像传感器及其驱动模块 本文选用的 ccd 传感器是 sony 公司的高速面阵型 ccd 芯片 icx205al， 该 ccd 的对角线长 8mm，是一款行间转移型 ccd，有效像素达到 1.45m，具 有分辨率高、灵敏度高、转移速度快、暗电流小、图像失真度小等优点，十分 适合检测中使用。另外芯片中设有电子快门，可以在没有机械快门的情况下实 现灵活的曝光时间控制，使用非常方便7。 icx205al 芯片由感光阵列、垂直移位寄存器、水平移位寄存器和输出放 大器四个主要部分组成。其中，v1、v2a、v2b、v3是垂直寄存器转移时钟， hl、h2是水平寄存器转移时钟，sub 是衬底时钟，rg 是重置门限时钟，这些 信号都要由驱动时序发生器来产生；vdd是供应电压，gnd 为参考地，又为保 护性晶体管偏置，这些电压由外加电源产生；csub为衬底偏置；vout是输出 信号。ccd 图像传感器及驱动模块电路图如 3-1 所示。 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 10101010 20202020 19191919 18181818 17171717 16161616 15151515 14141414 13131313 12121212 11111111 cpp3cpp3cpp3cpp3 vhvhvhvh cpp1cpp1cpp1cpp1 cpp2cpp2cpp2cpp2 coutcoutcoutcoutdcindcindcindcin xshxshxshxshxstxstxstxst xv2xv2xv2xv2 x2x2x2x2xv1xv1xv1xv1 xsg1xsg1xsg1xsg1v1v1v1v1 vmvmvmvm v3v3v3v3 v4v4v4v4 xv3xv3xv3xv3 xso2xso2xso2xso2 xv4xv4xv4xv4 ccd 1267anccd 1267anccd 1267anccd 1267an vlvlvlvl 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 10101010 20202020 19191919 18181818 17171717 16161616 15151515 14141414 13131313 12121212 11111111 cpp3cpp3cpp3cpp3 vhvhvhvh cpp1cpp1cpp1cpp1 cpp2cpp2cpp2cpp2 coutcoutcoutcoutdcindcindcindcin xshxshxshxshxstxstxstxst xv2xv2xv2xv2 x2x2x2x2xv1xv1xv1xv1 xsg1xsg1xsg1xsg1v1v1v1v1 vmvmvmvm v3v3v3v3 v4v4v4v4 xv3xv3xv3xv3 xso2xso2xso2xso2 xv4xv4xv4xv4 ccd 1267anccd 1267anccd 1267anccd 1267an vlvlvlvl 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 1 1 1 10 0 0 0 2 2 2 20 0 0 0 1 1 1 19 9 9 9 1 1 1 18 8 8 8 1 1 1 17 7 7 7 1 1 1 16 6 6 6 1 1 1 15 5 5 5 1 1 1 14 4 4 4 1 1 1 13 3 3 3 1 1 1 12 2 2 2 1 1 1 11 1 1 1 q1 2n3370 r7 3.9k r5 100k gndgndgndgnd gndgndgndgnd v v v v1 1 1 1 v v v v2 2 2 2a a a a v v v v2 2 2 2b b b b v v v v3 3 3 3 n n n nc c c c n n n nc c c c g g g gn n n nd d d d n n n nc c c c g g g gn n n nd d d d v v v vo o o ou u u ut t t t h h h h2 2 2 2 h h h h4 4 4 4 r r r rg g g g v v v vl l l l n n n nc c c c n n n nc c c c c c c cs s s su u u ub b b b s s s su u u ub b b b g g g gn n n nd d d d v v v vd d d dd d d d ccd1ccd1ccd1ccd1 ccdsouareccdsouareccdsouareccdsouare xv1xv1xv1xv1 xv2xv2xv2xv2 xsgxsgxsgxsg subsubsubsub xv1xv1xv1xv1 xv2xv2xv2xv2 xv3xv3xv3xv3 c61 22u/20v gndgndgndgnd gndgndgndgnd gndgndgndgnd c60 0.01uf +c65 22uf/20v gndgndgndgndgndgndgndgnd c62 1uf/35v gndgndgndgnd d1 10mq100n c40 0.1uf c64 220kf r14 1m gndgndgndgnd gndgndgndgnd c17 0.1uf gndgndgndgnd r1 470r h11h11h11h11 h21h21h21h21 r0r0r0r0 +vcc15v+vcc15v+vcc15v+vcc15v -vcc5v-vcc5v-vcc5v-vcc5v 图 3-1 ccd 图像传感器及驱动模块电路 哈尔滨理工大学学士学位论文 - 11 - 3.23.23.23.2 系统的核心部分系统的核心部分系统的核心部分系统的核心部分 本系统以较高的速度工作，若使用微控制器(mcu)来实现系统处理则速度 太慢，明显满足不了设计要求;若是采用一片复杂可编程逻辑器件(cpld)来实现 整个系统处理，则会因为有些变化较慢但是分支较多的低频信号的存在而使所 需要的逻辑单元数急剧增多。为此，本课题中决定采用 mcu 和 cpld 相结合 作为系统核心处理器的实现方案。把那些变化速度慢的低频信号从其它的高频 信号中分离出来，交给 mcu 处理，而 cpld 只需使用 mcu 的处理结果即可。 这样一来，可以使 cpld 集中处理高频的信号，也大大减少了所需的逻辑单元 数。 3.2.13.2.13.2.13.2.1mcumcumcumcu 芯片芯片芯片芯片 本文选用的 mcu 芯片是 ti 公司的 msp430f149 芯片。该芯片除了具有 msp430 系列芯片的超低功耗、处理功能强大、系统工作稳定、工业级适用和 开发环境方便高效等优点之外，还具有 60kb 的 flashmemory，2kb 的 ram， 并且片内集成了一个 12 位的 a/d 转换器、两个串行通信接口、一个硬件乘法器 和两个具有捕获/比较功能的 16 位定时器。所有这些资源，对于实现系统设计 的功能都是十分有利的8。mcu 电路图如图 3-2 所示。 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 7 7 7 7 8 8 8 8 9 9 9 9 10101010 11111111 12121212 13131313 14141414 15151515 db4db4db4db4 db5db5db5db5 db6db6db6db6 db7db7db7db7 db8db8db8db8 db9db9db9db9 db10db10db10db10 db11db11db11db11 db12db12db12db12 sclsclsclscl 1 1 1 17 7 7 7 1 1 1 18 8 8 8 1 1 1 19 9 9 9 2 2 2 20 0 0 0 2 2 2 21 1 1 1 2 2 2 22 2 2 2 2 2 2 23 3 3 3 2 2 2 24 4 4 4 2 2 2 25 5 5 5 2 2 2 26 6 6 6 2 2 2 27 7 7 7 2 2 2 28 8 8 8 2 2 2 29 9 9 9 3 3 3 30 0 0 0 3 3 3 31 1 1 1 3 3 3 32 2 2 2 6 6 6 64 4 4 4 4 4 4 49 9 9 9 6 6 6 63 3 3 3 6 6 6 62 2 2 2 6 6 6 61 1 1 1 6 6 6 60 0 0 0 5 5 5 59 9 9 9 5 5 5 58 8 8 8 5 5 5 57 7 7 7 5 5 5 56 6 6 6 5 5 5 55 5 5 5 5 5 5 54 4 4 4 5 5 5 53 3 3 3 5 5 5 52 2 2 2 5 5 5 51 1 1 1 5 5 5 50 0 0 0 48484848 47474747 46464646 45454545 44444444 43434343 42424242 41414141 40404040 39393939 38383838 37373737 36363636 35353535 34343434 33333333 p5.4p5.4p5.4p5.4 p5.3p5.3p5.3p5.3 p5.2p5.2p5.2p5.2 p5.1p5.1p5.1p5.1 p5.0p5.0p5.0p5.0 p4.7p4.7p4.7p4.7 p4.6p4.6p4.6p4.6 r/wr/wr/wr/w ab21ab21ab21ab21 ab20ab20ab20ab20 ab19ab19ab19ab19 ab18ab18ab18ab18 ab17ab17ab17ab17 ab16ab16ab16ab16 ab15ab15ab15ab15 ab14ab14ab14ab14 s s s sd d d da a a a v v v vd d d d h h h hd d d d a a a ab b b b1 1 1 1 a a a ab b b b2 2 2 2 a a a ab b b b3 3 3 3 a a a ab b b b4 4 4 4 a a a ab b b b5 5 5 5 a a a ab b b b6 6 6 6 a a a ab b b b7 7 7 7 a a a ab b b b8 8 8 8 a a a ab b b b9 9 9 9 a a a ab b b b1 1 1 10 0 0 0 a a a ab b b b1 1 1 11 1 1 1 a a a ab b b b1 1 1 12 2 2 2 a a a ab b b b1 1 1 13 3 3 3 d d d db b b b3 3 3 3 d d d db b b b2 2 2 2 d d d db b b b1 1 1 1 r r r rs s s st t t t/ / / /n n n nmmmm t t t tc c c ck k k k t t t tmmmms s s s t t t td d d d1 1 1 1 t t t td d d d0 0 0 0 p p p p5 5 5 5. . . .7 7 7 7 p p p p5 5 5 5. . . .6 6 6 6 p p p p5 5 5 5. . . .5 5 5 5 gndgndgndgnd gndgndgndgnd dvccdvccdvccdvcc p6.3/a3p6.3/a3p6.3/a3p6.3/a3 p6.4/a4p6.4/a4p6.4/a4p6.4/a4 p6.5/a5p6.5/a5p6.5/a5p6.5/a5 p6.6/a6p6.6/a6p6.6/a6p6.6/a6 p6.7/a7p6.7/a7p6.7/a7p6.7/a7 vref+vref+vref+vref+ xnxnxnxn xout/tclkxout/tclkxout/tclkxout/tclk vref+vref+vref+vref+ vref-/vref-vref-/vref-vref-/vref-vref-/vref- p1.0/taclkp1.0/taclkp1.0/taclkp1.0/taclk p1.1/ta0p1.1/ta0p1.1/ta0p1.1/ta0 p1.2/ta1p1.2/ta1p1.2/ta1p1.2/ta1 p1.3/ta2p1.3/ta2p1.3/ta2p1.3/ta2 p1.4/smclkp1.4/smclkp1.4/smclkp1.4/smclk p5.4/mclkp5.4/mclkp5.4/mclkp5.4/mclk p5.3/uclk1p5.3/uclk1p5.3/uclk1p5.3/uclk1 p5.2/somi1p5.2/somi1p5.2/somi1p5.2/somi1 p5.1/simo1p5.1/simo1p5.1/simo1p5.1/simo1 p5.0/ste1p5.0/ste1p5.0/ste1p5.0/ste1 p4.7/tbclkp4.7/tbclkp4.7/tbclkp4.7/tbclk p4.6/tb6p4.6/tb6p4.6/tb6p4.6/tb6 p4.5/tb5p4.5/tb5p4.5/tb5p4.5/tb5 p4.4/tb4p4.4/tb4p4.4/tb4p4.4/tb4 p4.3/tb3p4.3/tb3p4.3/tb3p4.3/tb3 p4.2/tb2p4.2/tb2p4.2/tb2p4.2/tb2 p4.1/tb1p4.1/tb1p4.1/tb1p4.1/tb1 p4.0/tb0p4.0/tb0