（光学工程专业论文）基于线阵ccd的图像采集技术研究.pdf

硕上论文 基于线阵c c d 的图像采集技术研究 摘要 介绍了基于c p l d 的线阵c c d 数据采集系统的硬、软件构成，工作原理及设计方 案。采用t o s h i b a 公司近年来推出的高速线阵c c d 芯片t c d l 2 0 9 d ，针对其驱动时 序的要求，选用x i l i n x 公司的复杂可编程逻辑器件x c 9 5 3 6 、t i 公司的a d 转换器件 t l c 5 5 1 0 a 等元器件，设计了一个高速c c d 数据采集系统。用v h d l 语言设计了c c d 的驱动时序，并在i s e 开发环境下进行了编译、波形仿真。设计了图像采集程序，将采 集到的图像以b m p 位图形式显示。 此外，还讨论了图像畸变校正算法，并对系统的图像采集结果进行处理。 最终结果表明，该系统实现了对线阵c c d 器件的正确驱动和数据采集以及图像畸 变校正。 关键词：线阵c c d ，c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) ，图像采集，畸变校正 a b s t r a c t 硕士论文 a b s t r a c t t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no fl i n e a rc c dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nc p l di s i n t r o d u c e d t h eo p e r a t i o np r i n c i p l e ，d e s i g ns c h e m ea r ea l s oi n t r o d u c e d t h el i n e a rc c d n a m e dt c d12 0 9 dp r o d u c e db yt o s h i b ar e c e n t l yi su s e d i no r d e rt or e a l i z et h et i m eo r d e r o fd r i v i n gu n i t ，s o m es p e c i a ld e v i c e sa r eu s e dt od e s i g nah i g h - s p e e dd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， i n c l u d i n gt h ec p l dn a m e dx c 9 5 3 6p r o d u c e db yx i l i n xa n dt h ea dc o n v e r t e rn a m e d t l c 5 510 ap r o d u c e db yt i v h d ll a n g u a g ei su s e dt od e s i g nt h ed r i v i n gu n i to ft h el i n e a r c c d a n dt h ep r o g r a mh a sb e e nc o m p l i e da n ds i m u l a t e di ni s ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t a d a t aa c q u i s i t i o np r o g r a mh a sb e e nd e s i g n e da n dt h ei m a g ew h i c hh a sb e e nc o l l e c t e di ss h o w n i nt h ef o r m a to fb m p p i c t u r e t h et e c h n o l o g yo fa d ju s t i n gt h ei m a g ea b e r r a t i o ni sd i s c u s s e d a na d ju s t i n gp r o g r a mh a s b e e nd e s i g n e da n du s e di nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mw h i c hh a sb e e nd e s i g n e dc a nc o r r e c t l y c o l l e c tt h ei m a g ed a t a a n dt h ei m a g ea b e r r a t i o nh a sb e e na d j u s t e d k e y w o r d s ：l i n e a rc c d ，c p l d ，d a t aa c q u i s i t i o n ，i m a g ea b e r r a t i o n i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：弛趄 沙7 年石肭日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 顿 。论空基于线阵c c d 的图像采集拙术目f 究 1 绪论 1 1 课题研究背景 电荷耦合器件( c c d ) 是七十年代初发展起来的新型半导体器件。它一经出现， 就在摄像、信号处理和存储等领域引起广泛关注并得到迅速的发展，特别是在图像采集 方面的应用更是取得了令人瞩目的成果，并逐渐成为现代光电及测试技术中最活跃和壤 富有成果的新兴领域。 随着c c d 器件性能大幅度提高，成本不断降低，品种逐渐增多应用范围也得到 了扩展和普及。c c d 的出现不但促进了传统光学技术、光电成象技术发生重大变化， 而且对人类科技进步和人类社会文明的发展也产生了深远的影响。目前，c c d 应用技 术研究方兴束殳产品h 新月异，国际上竞争相当激烈，国内c c d 应用技术也发展迅 速，其研究受到各领域的重视。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s 电荷耦合器件) 具有尺寸小、结构简单、精度高、 功耗低、寿命长及电子自扫描等优点口i1 4 1 。由于c c d 是以时间积分方式工作的，光积 分时间可在很宽的范围内调节，因此使用方便灵活，适应性强。c c d 的输出信号易于 进行数字化处理，可以与计算机连接组成实时自动测量控制系统，从而广泛用于冶金等 部门中动态非接触尺寸检测如各种管、线、带材轧制过程中的尺寸测量光纤及纤维 制造中丝径尺寸测量、控制，机械产品尺寸测量、分类，产品表面粗糙度和工作面疵病 的检测，液位、位移、位置检测与遥测，光学系统自动调焦、自动测距，布匹、纸张、 毛纺织物、油漆等颜色的在线测量光谱测量及光谱分析，文字与图象识别，光电图象 处理，传真、复印、条形码识别及空间遥感等众多领域”。 幽1i 面阵犁c c d 图片 碗l 论空 幽i2 线阵型c c d 幽片 c c d 分为两大类：面阵型c c d 器件和线阵型c c d 器件1 9 j ，照片分别见图ll 和图 12 。面阵c c d 按一定的方式将光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，可直接获取二 维图像，在目前的应用中占有较大的优势。但相比之下，线阵c c d 像元数多、测量范 倒大、灵敏度高、自扫描速度快、频率响应高、能够在低照度下工作，并日体积小，重 量轻，功耗低 ，也有一定的应用窄间。 线阵c c d 一般分为币路、双路、三路和多路输出等形式。 ( 1 ) 单路输出线阵c c d 在光积分脉冲到来时，信号电荷并行转移到移位寄存器。在电荷转移脉冲的作用f ， 逐一移出寄存器，形成图像信号。这种结构的c c d 转移次数多、效率低、调制传递函 数m t f 比较差，适用于像元较少的器件i “】。结构示意图见图13 。 幽i3 单路输山线i 茸c c d 宝 i 构示意图 ( 2 ) 双路输出线阵c c d 双路输出线阵c c d 分为奇偶分段式和自口后分段式两种。图1 4 为奇偶分段式结构 图，该a 式将信号电荷分为奇偶两组分别向移位寄存器中转移。圈l5 为d 口后分段式结 构图，该方式是将信弓电荷按前后分为两组分别向移位寄存器中转移。显然，像敏元数 2 硕= ：论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 相同的双路输出线阵c c d 比单路输出线阵c c d 的转移次数减少一半，总体转移速度得 到提高。这种结构常见于像元数较多的线阵c c d 器件【l l 】。 - 厂。 l ” i 一_ 7 i 一 转翟 iiii l l厂 - 1 光硅 l 转 厂口r二。，、。 转移栅 图1 4 奇偶分段式双路输出线阵c c d 结构示意图 l l l l l l 1 1 图1 5 前后分段式双路输出线阵c c d 结构示意图 ( 3 ) 三路输出线阵c c d 三路输出结构通常用于彩色线阵c c d 。通过棱镜将不同波长的光分别投射在r 、g 、 b 三组c c d 上，每组c c d 再将各自的信号电荷转移输出【1 1 1 。 ( 4 ) 多路输出线阵c c d 为进一步提高线阵c c d 的传输速度，在结合奇偶分段和前后分段方式的基础上， 出现了四路、八路、十六路等多路输出结构，将信号电荷分成多路并行输出，从而大幅 提高数据传输速率【1 1 】。 面阵c c d 可分为帧转移、全帧转移、隔行转移等方式。 ( 1 ) 帧转移面阵c c d 帧转移面阵c c d 由光敏区对光学图像产生光电荷，在光积分结束后将整帧电荷转 移给存储区，再由水平移位寄存器逐一读出。特点是结构简单，帧速度较快，模传递函 数m t f 较高，但光敏面积占器件总面积的比例小】。 ( 2 ) 全帧转移面阵c c d 全帧转移型面阵c c d 不设存储区，光积分结束后，直接将光电荷移至水平寄存器， l 绪论硕十论文 然后全部读出。其光敏区占据器件面积的绝大部分，因此需要通过快门屏蔽入射光】。 ( 3 ) 隔列转移面阵c c d 在隔列转移面阵c c d 结构中，光敏单元与移位寄存器按列相间排列，这种方式采 用多列并行转移，比帧转移方式的转移速度快，但由于光敏元与移位寄存器相间排列， 所以对输入光的利用率不高，像元密度也较低【l l 】。 许多发达国家对c c d 技术的研究投入了大量的人力、物力和财力。 美国是最早丌展c c d 技术研究的国家，在此领域一直保持领先的地位。贝尔实验 室是c c d 研究的发源地，除此以外，美国几家著名公司也是c c d 应用与开发研究的有 力竞争者，如无线电公司( r c a ) 、通用电气公司( g e c ) 、福特航空公司( f o r da e r o s p a c e ) 竺【1 2 】 寸o 日本是c c d 器件的生产大国，其产量居世界之首。日本政府非常重视c c d 技术的 开发和研究，把提高c c d 摄像器件分辨率作为主攻方向。日本的c c d 技术虽然起步较 晚，但其发展极快，特别是在彩色c c d 摄像机领域具有极强的竞争力【l2 1 。 法国也是开展c c d 技术研究较早的国家之一，汤姆逊无线电公司是世界上生产和 开发c c d 产品的著名厂家。此外，英国通用电气公司( g e c ) 和荷兰的菲利普公司在 c c d 技术的研究与开发方面也很著名【1 2 1 。 1 2c c d 器件应用发展现状 目f j ，c c d 图像传感器的发展现状归纳起来有以下几点： ( 1 ) 高分辨率 随着超大规模微细加工技术的发展，c c d 光敏元密度得到不断的提高，器件分辨 率越来越高。 ( 2 ) 高速化 随着c c d 像元数不断增加，其工作频率也需相应提高。但如果时钟脉冲变化太快 将会导致所采集的光信号电荷无法进行转移，因此电荷转移速度成为c c d 提高工作频 率的瓶颈。 ( 3 ) 微型化 超小型面阵c c d 尺寸小，却具有相当高的分辨率，因此被广泛地应用于医疗内窥、 盲孔检测等技术中。随着国防科学、生物医学工程的发展，超小型c c d 像感器的需求 越来越大。 ( 4 ) 新型器件结构 为了提高c c d 图像传感器的性能，扩大适用范围，人们不断地研究新的器件结构 和信号的采集、处理方法，赋予c c d 图像传感器更强的功能。 在器件结构方面，最引人注目的有帧内线转移c c d ( f i tc c d ) ，亚电子噪声c c d 4 硕士论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 ( n s ec c d ) 。此外，随着v l s i m o s 工艺的日益完善，m o s 光电二极管阵列的发展前 景也十分乐观【1 2 】。 ( 5 ) 拼接技术 线阵c c d 端到端拼接起来可得到极长的阵列和极高的分辨率。拼接技术可根据应 用需要灵活选择拼接器件和拼接规模，这对军事应用、天文观测、光谱分析等是特别有 用的。尤其在对陆地和海洋的监测、侦察和地球资源勘察等方面都是十分有价值的i l 引。 在我国首次绕月探测计划中，c c d 摄像器件就担负起对月球表面进行测绘的任务。 嫦娥1 号卫星上搭载的c c d 立体相机采用了广角物镜和一片1 0 2 4 x 1 0 2 4 的面阵探测器， 具备结构简单、重量轻、体积小、航天环境适应能力强的特点。该立体相机可同时获得 普通航空摄像的正视照片和由前视、后视合成的立体照片。 图1 6 嫦娥立体相机工作原理 该立体相机采用三线阵c c d 推扫原理【1 3 】，三线阵c c d 相机的光电扫描成像部分是 由光学系统焦面上的3 条成像角度不同的线阵c c d 传感器组成的。如图1 6 所示，当 航天器飞行时，每个c c d 阵列以一个同步的周期n 连续扫描月球表面并产生3 条相互 重叠的航带图像a s ，b s ，c s 。由于推扫获得的航带图像a s ，b s ，c s 的视角各不相同， 从而可以构成立体影像。 摄像仪器在随卫星被发射之前先要进行定标，定标的目的是为了把光学遥感器电路 输出数据与被探测的物理量，如目标的辐射亮度、反射光谱强度等在一定的精度范围内 直接联系起来，使其真实地反映被探测目标的状况，精度愈高，反映的真实性愈好【1 4 1 。 嫦娥相机所采集的图像见图1 7 和图1 8 。 编造顷。 论女 幽】7 月球袭面平面幽像 1 3 本论文的主要工作 图l8 爿球表面立体| 苎l 像 本文设计了一个线阵c c d 图像采集系统，主要工作包括 ( 1 ) 资料收集及消化； ( 2 ) 电路原理幽设计； 硕十论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 ( 3 ) p c b 板图设计； ( 4 ) 线阵c c d 器件驱动时序设计； ( 5 ) 图像采集软件设计； ( 6 ) 讨论图像畸变校正原理并设计处理程序。 7 2 系统总体设计 硕十论文 2 系统总体设计 2 1 设计目标 在硬件方面，分析系统需求，完成器件选型，设计电路原理图，绘制p c b 电路板 图。 在软件方面，对c c d 驱动脉冲进行设计和仿真，编写图像采集和显示程序，研究 图像畸变校正原理，并设计程序完成实时校正。 2 2 系统总体结构及软件处理流程 本系统需要完成的主要功能：通过线阵c c d 器件扫描物体，采集物体信息，进行 畸变校j 下并显示。 系统结构框图如图2 1 所示： 图2 1 系统结构框图 由c p l d 器件( 复杂可编程逻辑器件) x c 9 5 3 6 产生驱动脉冲，通过放大电路进行 电压匹配，然后驱动线阵c c d 器件t c d l 2 0 9 d 采集所需图像信息，之后将输出的信息 通过差分放大电路进行差模放大，并且经过低通滤波电路的滤波，进入a d 转换模块进 行模数转换，之后将图像信息上传到p c 机【1 5 】，进行图像畸变校正并构建位图。 软件工作流程图如图2 2 所示。 硕十论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 团 图2 2 系统软件工作流程 系统的软件处理流程是这样的：首先打开图像采集卡，获得句柄，然后进行工作频 率和光积分时间的设置，之后开始采集数据，保存在硬盘中，进行实时图像畸变校正， 构建位图，最后完成显示。 9 3 硬件设计 硕i ：论文 3 硬件设计 本系统的硬件设计工作是在p r o t e l 9 9 s e 的环境下进行的，该环境可以实现电学设计 及分析、验证。 图3 1 即为本系统的电路原理图。 1 0 图3 1 系统电路原理图 硕一卜论文 基于线阵c c d 的图像采集技术研究 3 1 器件选择及描述 通过大量文献的阅读，结合本系统对器件性能的要求，选择了以下核心器件：线阵 c c d 器件t c d l 2 0 9 d ，复杂可编程逻辑器件x c 9 5 3 6 ，差分放大器a d 6 2 3 以及a d 转 换器件t l c 5 5 1 0 a 。 3 1 1 线阵c c d 器件 根据工程项目的技术要求，本系统选用同本t o s h i b a 公司的t c d l 2 0 9 d 型线阵 c c d 器件。该器件具有优良的光电特性，有2 0 4 8 个有效像元【1 6 】。该器件工作在1 2 v 电 压下，典型工作频率为1 m h z ，由2 0 8 8 个光电二极管构成光敏元阵列。每个光敏元尺 寸为1 4 u r n ，中心间距亦为1 4 u r n ，光敏元阵列总长为2 9 2 3 2 u m 。该器件正常工作所需的 控制脉冲17 】【1 8 1 有：r s 、s p 、s h 、1 、2 ，输出信号为：o s 。 图3 2 为该线阵c c d 器件电路逻辑框图。 图3 2c c d 器件电路逻辑框图 器件主体为感光阵列，包含有效感光元及暗电流补偿元。 s h i f tg a t e 为转移栅，它的通断是由s h 脉冲控制的。当s h 为高电平时，转移 栅打开，感光阵列采集到的光信号电荷传递到移位寄存器中；当s h 为低电平时，转移 栅关闭，感光阵列开始采集光信号。 c c da n a l o gs h i f tr e g i s t e r 为移位寄存器，其工作是由1 和2 两个脉冲信 号控制的。当m 1 和2 脉冲的下降沿来临时，它们各自所对应的移位寄存器中的信号 电荷输出。 1 l 3 硬件设计 硕l j 论文 信号列表： o s ：信号输出，经过光积分的有效光电信号，低电平有效。 d o s ：补偿输出，反映暗电流特性。 o d ：工作电压，1 2 v 。 s s ：电源地。 r s 复位脉冲，负责清除移位寄存器中输出极残余电压。 s h ：光积分脉冲，作用相当于一个开关，在该脉冲为高时，收集到的光信号电荷向 移位寄存器并行转移：为低时，转移栅关闭，感光阵列收集光信号，并将移位寄存器中 的电荷输出。s h 脉冲是用户自己定义的，当环境改变时，可以通过对该脉冲的编辑改 变光积分时间，从而获得足够的光信号强度。 1 ，0 2 ：信号输出脉冲，它们的下降沿触发移位寄存器开始输出信号。在s h 为高 电平时，收集到的光信号电荷正在转移，故此时0 1 ( 2 ) 须保持高( 低) 电平。 驱动信号时序【1 9 1 如图3 3 所示。 t i m i n gc h a r t - 一一j 唑竺竺竺l _ 1 蚋- l 丹扣喝弹几 ，* h n j 5 鬲鬲晶禹鬲鬲n 三三三二三三三三二三三几几n 。一 1 广广 几几一心n 几几n 几几门nn 几几几几几几几nn 几几几圹1 盘l 一j l j l j l 叫u u l 1 u u k 几八几几几几厂l 厂l 厂l 厂l 厂l 刚刚广l 阢_ 精i ；l ln n in 5 5 _ i _ - - i b j j j - j l l l 上_ l j j _ j l l l j 5 5 l 口l li 日l i j 舒- j i l 且j - j l b j j l l j l 上上一l j j l l l l 上上j l 卜j 上 酬 言；茗暑暑考 暑吾=i夸暑考詈暑暑 暑 暑 2o “ 图3 3c c d 器1 i ，l ：驱动信号时序图 由t c d l 2 0 9 d 的时序图可以看出，t c d l 2 0 9 d 采用二相驱动脉冲工作。正常工作需 要4 路脉冲，即光积分脉冲s h ，电荷转移脉冲0 1 、0 2 ，输出复位脉冲r s 。由于线阵 c c d 结构上的安排，正常工作时输出端o s 先输出3 2 个虚设单元的脉冲( 含暗电流信 号) ，然后连续输出2 0 4 8 个信号脉冲，接下来再输出8 个暗电流脉冲，之后再输出多余 无信号脉冲【2 0 】1 2 1 1 。 1 2 硕上论文 基于线阵c c d 的图像采集技术研究 一 、 。 t a = 2 5 0 c i i 、 、 、 0s 0 0n n7 0 0r 0 0q n f l1 10 01 10 01 图3 4 光谱响应曲线 t c d l 2 0 9 d 的光谱响应特性曲线如图3 4 所示。光谱响应范围从4 0 0 n m 到ll o o n m ， 峰值对应的波长为5 5 0 n m 。 t c d l 2 0 9 d 是两路并行传输，所以在一个周期内至少要有1 0 4 4 ( 2 0 8 8 2 = 1 0 4 4 ) 个 l ( 2 ) 脉冲，即瓦 1 0 4 4 7 1 。 3 1 2 复杂可编程逻辑器件 由于c c d 器件的转换效率、信噪比等光电特性只有在合适的驱动时序下才能达到 设计所规定的最佳值，输出稳定可靠的信号。因此，时序发生器的设计成为c c d 数据 采集电路设计的关键，也成为c c d 应用的关键【2 2 】。随着c c d 的飞速发展，传统的时序 发生器实现方法，如小规模集成电路实现、用e p r o m 实现、基于单片机实现等已经不 能够很好地满足c c d 应用向高速、小型化、智能化发展的需要【2 3 】、【2 4 1 。因此，目前的时 序发生器大多采用c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 或者f p g a ( 现场可编程门阵列) 进 行设计实现。 c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 复杂可编程逻辑器件，是从p a l 和g a l 器件发展出来的【25 1 ，规模大、结构复杂，是一种可以根据需要自行构造逻 辑功能的数字集成电路。它具有集成度高、保密性强、设计开发周期短、设计制 造成本低、对设计者的硬件经验要求低等特点，可实现较大规模的电路设计。 c p l d 主要是由可编程逻辑宏单元( m a c r oc e l l ) 组成，具有复杂的i o 单元 互连结构。由于c p l d 内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设 计的逻辑电路具有时间可预测性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。 3 硬件设计 硕十论文 经过几十年的发展，许多公司都开发出了c p l d 可编程逻辑器件，比较典型 的就是a l t e r a 和x i l i n x 两大世界权威公司的产品。 x c 9 5 3 6 就是x i l i n x 公司出品的一款c p l d ，它有3 6 个宏单元共8 0 0 个可用门， 3 4 个可兼容3 3 v 和5 v 接口的i o 口。支持j t a g 片上编程，管脚逻辑延时仅为5 n s 。 其输出电流为2 4 m a ，具有优秀的驱动能力，采用了强化的f a s t f l a s h 技术并支持对多 个x c 9 5 0 0 系列芯片进行并行编程1 2 6 | 。它为逻辑综合提供了先进的片上编程功能和测试 能力，完全可以满足本设计的要求。 图3 5 所示为x c 9 5 3 6 的功能结构图。 r j t a gp o r t 【 帕 帕 阳 i o 图3 5x c 9 5 3 6 功能结构图 3 1 3 驱动放大电路 由于x c 9 5 3 6 的输出信号正逻辑为5 v 左右，而c c d 器件所需的工作电压为1 2 v ， 因此，c p l d 的输出需要经过电压驱动电路以有效地实现驱动。 c p l d 产生的驱动脉冲信号先经过7 4 h c 0 4 进行反相变换，然后进入电压变换器件 d s 0 0 2 6 进行电压变换，之后就可以驱动c c d 器件正常工作了。 电路原理图如图3 6 所示： 1 4 帕 帕 帕 帕 一 一 一 硕上论文 基于线阵c c d 的图像采集技术研究 图3 6 驱动放大电路原理图 3 1 4 差分放大电路 对c c d 输出信号进行处理，主要包括信号调理和a d 转换两部分【2 7 】。前者是为了 消除噪声和干扰，改善图像质量，尽可能保证在c c d 动态范围内图像信号随被测目标 亮度呈线性变化；后者则完成对c c d 输出信号的数字化【2 8 】，以便进行软件处理。 c c d 输出的有效信号o s 是经过光积分的有效光电信号，而补偿信号d o s 则反映 了c c d 的暗电流特性，也反映了c c d 在复位脉冲的作用下信号传输沟道产生的容性干 扰。这是一组典型的共模电压较高、有效差模信号较低的差分信号。所以模拟信号输出 在进行后续处理之前要进行预处理，消除视频信号中的复位脉冲串扰及其他干扰，将微 弱的视频信号进行幅值放大【2 9 】 【3 0 1 。 3 硬件设计 硕十论文 v 嘲晒 图3 7 差模与共模电压示意图 图3 7 为差分信号测量电路里差模和共模电压示意图。信号输出 。厅= ( r 2 r 。) x 肝= g 胛。理想状态下，差模增益g 1 ，而共模增益接近于零。 因此可以看出共模增益主要是电阻不匹配的函数，在实际测量电路中可能会由于电阻值 的微小不匹配而导致两个输入端的共模电压不一致，而使电路的直流共模增益不为零。 共模抑制比( c m i 水) 就是差模增益g 与共模增益的比值，在实际工程应用中，电路工 作环境包含很多噪声源，这些干扰信号作用在差分输入端，将会在输出端产生一个共模 信号。因此差分信号处理除了要求有高的d cc m r r ，还要有高的a cc m r r 3 0 】。 本设计中选用a d 6 2 3 差分放大器，实现差分放大，并在其输出端连接射极跟随器 以增强信号的驱动能力，之后再接一级r c 低通滤波器，进一步滤除噪声。经过上述处 理后的视频信号就可以送入a d 进行量化【3 。 图3 8 所示为a d 6 2 3 的简化内部结构框图。 p o ss u p p l y 7 1 6 4 n e gs t 胛l y 图3 8a d 6 2 3 简化内部结构图 硕一卜论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 a d 6 2 3 集成了3 路运放，可单电源或双电源工作，具有较高的c m r r 和极低的电 压漂移。除了一个控制可编程增益的外接电阻外，所有元件都集成在内部，提高了电路 温度稳定度和可靠性【3 2 1 。 差分放大电路部分原理图如图3 9 所示： 5 v5 v 图3 9 差分放大电路原理图 3 1 5a d 一转换电路 随着数字技术，特别是信息技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检 测等领域，为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字化技术。由 于实际处理对象往往都是一些模拟量，要使计算机能够进行识别、处理，必须首 先将这些模拟信号转换成数字信号；经过计算机分析、处理后输出的数字量也需 要转换为相应的模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟信 号与数字信号之间起桥梁作用的电路。 将模拟信号转换成数字信号的模数转换器( a d c ，a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r t e r ) 和将数字信号转换为模拟信号的数模转换器( d a c ，d i g i t a lt oa n a l o gc o n v e r t e r ) 已成为信息处理系统中不可或缺的部分。转换精度、转换速度是衡量a d 与d a 转换器的重要技术指标。 t l c 5 5 1 0 a 是美国t i 公司生产的a d 转换器件，是一款采用c m o s 工艺制造的8 位高阻抗并行a d 芯片，最小采样率为2 0 m s p s ，数据输出延时为2 5 个时钟周期。由 于采用半闪速技术，大大减少了器件中比较器的数量，同时能够保持较低的功耗。在标 准工作条件下，t l c 5 5 1 0 a 的功耗为1 3 0 m w 。t l c 5 5 1 0 a 不仅具有高速a d 转换功能， 而且还带有内部采样保持电路，从而可以在一定程度上简化外围电路的设计。同时，由 1 7 3 硬件设计 硕十论文 于其内部带有标准分压电阻，因而可以从+ 5 v 电源获得2 v 满刻度的基准电压【3 3 】。如要 使用内部电阻模块，则需外部提供4 v 电压。 d i ( l s 8 l d 2 d d 5 d 6 d 7 d s ( m s b ) 图3 1 0t l c 5 5 1 0 a 内部结构图 t l c 5 5 1 0 a 的内部结构如图3 1 0 所示。由图中可以看出：t l c 5 5 1 0 a 模数转换器内 包含时钟发生器、内部基准电压分压器、1 套高4 位采样比较器、编码器、锁存器、2 套低4 位采样比较器、编码器和1 个低4 位锁存器等电路。 t l c 5 5 1 0 a 的外部时钟信号c l k 通过其内部的时钟发生器可产生3 路内部时钟， 以驱动3 组采样比较器。基准电压分压器则可用来为这3 组比较器提供基准电压。输出 a d 信号的高4 位由高4 位编码器直接提供，而低4 位的采样数据则由两个低4 位的编 码器交替提供1 3 4 1 。 c 帅啾，弋腿，、，弋，弋， 。napnmal。o；口g。inn_!=!：，：i-1i-，；：。_。-_-：i：；-1-、磊：；i州 t 。咖d 1 - d 8 ， n - 3 一 n + i 二 图3 11t l c 5 5 1 0 a 工作时序图 图3 1 1 所示为t l c 5 5 1 0 a 的工作时序图，在该脉冲信号控制下，当第一个时钟周 期的下降沿到来时，模拟输入电压将分别被采样到高位比较器块和低位比较器块，高位 比较器在第二个时钟周期的上升沿的最后确定高位数据，同时，低基准电压产生与高位 硕十论文基于线阵c c d 的图像采集技术研究 数据相应的电压。低位比较器在第三个时钟周期的上升沿的最后确定低位数据。高位数 据和低位数据在第四个时钟周期的上升沿进行组合，这样，第n 次采集的数据经过2 5 个时钟周期的延迟才可送到内部数据总线上。此时如果输出使能o e 有效，数据便可被 送至8 位数据总线上。c l k 的最大周期为5 0 n s ，因此t l c 5 5 1 0 a 数模转换器的最小采 样速率可以达到2 0 m s p s i j 引。 a d 转换部分的电路原理图如图3 1 2 所示。 图3 1 2a d 转换电路原理图 3 1 6 数据传输 本设计中输出数据量很大。t c d l 2 0 9 d 线阵c c d 的有效像元共2 0 4 8 个，经过a d 转换后，采集到的每个图像数据对应着一个b y t e 的存储空间，而采集一幅大视角图像 时，往往在很短时间内就产生了数千轨数据需要进行传输，这就对数据传输速度提出了 很高的要求。因此在进行数据传输模块的设计时，最终选择了u s b 总线进行设计。 通用串行总线( u s b ) 是一种电缆总线，它支持主机同时与许多外设之间进行数据 交换。u s b 技术赋予了外设连接单一化、即插即用、热插拔等特点，已经成为一种标准 配置接1 2 1 。u s b 总线支持3 种传输速率：1 5 m b s 的低速传输、1 2 m b s 的全速传输以及 4 8 0 m b s 的高速传输。 u s b 传输是由事务构成的，而事务又是由信息包( p a c k e t ) 组成的，因此信息包是 u s b 传输的载体。u s b 传输要件包括端点( e n d p o i n t ) 和管道( p i p e ) 。 端点是u s b 设备的一部分，其作用是进行数据缓存，所有的传输都是将端点作为 发出点或者接收点。端点分为控制端点和数据端点，控制端点是双向传输的，而数据端 点是单向的。设备中的每个端点在设备内部有惟一的地址和端点号，地址是在设备连上 主机时由主机分配的，端点号是在设计设备时就给定的。端点号可以从0 到1 5 ，但所有 设备都必须将端点0 设置为控制端点。 管道是建立在设备端点和主机控制器之间的连接，在传输发生之前必须先建立管 道。管道随着主机和设备之间连接的建立而建立，当移除设备时，管道也跟着被移除。 1 9 3 硬件设计 硕1 ：论文 每一个设备都会和主机之间建立一个默认的控制管道( d e f a u l tc o n t r o lp i p e ) ，此管道使 用端口0 。 u s b 具有4 种传输类型：控制传输、中断传输、块传输以及同步传输。定义多种传 输类型的目的是为了适应众多u s b 设备对传输速率、响应时间等方面的不同需求。 每一个u s b 传输包含一个或者多个事务，而每一个事务又包括了一个、两个或者 三个信息包。图3 1 3 所示即u s b 传输的模型。 帧开始( s o f )帧开始( s o f ) l 传输ii 传输i i 传输i i l 除 l 事务i i 事务ii 事务i l 令牌信息包数据信息包 联络信息包 一 p i d 额外信息c r c 图3 1 3u s b 传输模型 本设计选用c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 a ，这是一款u s b 2 0 集成微处理芯片， 该器件的逻辑结构框副3 7 1 如图3 1 4 所示。 硕士论文 皋于线阼c c d 的图像采集技术研究 图3 1 4c y 7 c 6 8 0 1 3 a 逻辑结构框图 c y 7 c 6 8 0 1 3 a 在片上集成了一个串行接口引擎( s i e ) 、一个u s b 收发器、增强型 8 0 5 1 单片机( 其指令系统与普通8 0 5 1 单片机完全兼容) 及一个8 5 k b 片上r a m 、一 个4 k bf i f o 存储器及一个通用可编程接口( g p i f ) 。s i e 负责和u s b 收发器、u s b 接 口进行数据交换，大大简化固件编程。s i e 执行基本的2 0 协议操作，释放m c u ( 这里 是8 0 5 1 芯片) 去处理应用程序的请求，使得c y 7 c 6 8 0 1 3 a 虽使用低价的8 0 5 1 芯片，但 获得了u s b 2 0 协议允许的最大带宽【3 引。 图3 1 5 为该部分电路原理图。 3 2 电路板设计 图3 1 5u s b 传输电路原理图 一般来说，印制电路板包括单面板、双面板和多层板。 单面板一面有敷铜，另一面没有敷铜，用户只可在有敷铜的一面放置元器件和进行 布线。单面板成本低、无需打过孔，但是由于只能在敷铜面上进行布线，因此限制了它 2 l 3 硬件设计 硕一l ：论文 的应用，仅在进行一些比较简单的设计才使用单面板。 双面板包括顶层和底层，均有敷铜，都可以进行布线。顶层主要放置元器件，而底 层用来布线。在双面板上进行设计相对比较容易，而且成本较低，因此用双面板制作电 路是比较理想的选择。 多层板包含多个工作层，除了项层、底层，还包括中间层、内部电源层和地层等。 随着电子技术的高速发展，电路设计越来越繁琐，电路板也随之越来越复杂，多层电路 板得到了越来越多的应用。 要进行电路板设计，首先得制作电子元器件的封装。元器件封装包括电子元器件的 外形尺寸以及焊盘的位置，这是元器件被焊接到电路板上时的重要参考。元器件封装的 命名标准一般为元器件类型加上焊盘距离或者焊盘数，通常可以根据元器件封装编号来 判断元器件的相关参数。如a x i a l 0 4 表示此元器件为轴状封装，两焊盘间的距离为 4 0 0 m i l ；d i p l 6 表示该元器件为双列直插式，引脚数为1 6 个。 焊盘的作用是连接元器件引脚和导线。焊盘是p c b 设计中最重要的概念之一，也 是我们最常接触的。选择元器件的焊盘类型要综合考虑该元器件的外观、布置形式以及 受热情况、受力方向等因素。例如，对发热量较大且受力的焊盘，可将其设计成“泪滴 状 ；当遇到需要在元器件引脚之间进行布线的情况时，将焊盘设计成椭圆形或扁圆形 往往事半功倍。自行设计的元器件焊盘孔的大小要参照元器件引脚粗细进行确定，基本 原则是焊盘孔的尺寸较元器件引脚直径大0 , 2 m m 左右。 为连通p c b 板各层之间的电路，在需要连通的导线交汇处钻上一个公共孔，这就 是过孔。过孔一般分为三种，即从顶层贯通到底层的穿透式过孔、从顶层通到内层或从 内层通到底层的盲过孔以及内层间的隐藏过孔。从俯视角度观察过孔，包含两个尺寸， 即通孔直径和过孔直径。通孔和过孑l 间的孔壁，采用与导线相同的材料构成，连接位于 不同板层的电路。一般情况下，设计电路时尽量少用过孔，一旦选用就务必处理好它与 周边各实体的间隙。此外，所承担的载流量越大，过孔尺寸就越大，如电源层或地层与 其他层连接时所用的过孔就要大一些【3 引。 此外，膜( m a s k ) 在p c b 制作过程中也是必不可少的，根据其所起的作用，可分 为助焊膜和阻焊膜。助焊膜涂于焊盘上，可提高焊接性能，通常在电路板上观察到的比 焊盘略大的浅色圆圈就是助焊膜。阻焊膜则正好相反，为了阻止电路板上非焊盘处的铜 箔粘锡，焊盘以外的各部分都要涂敷阻焊膜。 在绘制p c b 电路板的过程中需要考虑许多方面的问题，信号完整性问题更是重中 之重。信号完整性问题主要包括反射、振铃、信号过冲以及信号之间的串扰等【4 0 】。良好 的信号质量是提供稳定时序的基础，信号完整性问题导致的信号质量变差很可能带来时 序的偏移和紊乱，从而导致系统不能证常工作。差的信号完整性不是由某个单一因素引 起的，而是由电路设计中多种因素共同导致的，因此，信号完整性分析就成了进行p c b 硕一 二论文 基于线阵c c d 的图像采集技术研究 板级和系统级设计、分析的基础。 信号完整性问题一般是由电路板设计中的走线、p c b 板材和阻抗匹配等导致的。可 以采用先进的e d a 工具进行仿真来解决信号的反射、串扰问题。通过选择正确的布线 策略和终端匹配方式，可以得到理想的信号波形。 反射是源端与负载端阻抗不匹配导致的，负载会将一部分电压反射回源端。在p c b 布线过程中，可以预先选择合适的拓扑结构束改善反射现象，这种方法通常不需要增加 额外的电子器件。常用的布线拓扑方法有树状法、菊链法、星状法和回路法。相比较而 言，菊链法是比较好的布线法，适合于地址或者数据总线以及并联终端的布线，基本上 没有分支旁路。此外，为了减轻反射，还可以选择降低系统频率以便在下一个信号加载 到传输线上之前达到反射稳态，但对于高速系统来说，在总线频率达到一定阈值之后， 反射在一个周期内无法达到稳态，所以这种方法在高速系统中不太实际。 过冲是首个信号峰值或谷值超过设定电压值，较强的过冲会导致保护二级管过早失 效。下冲是指下一个谷值或峰值，过分的下冲可能会引起错误的数据操作。过冲与下冲 是由走线过长和信号变化太快两方面原因导致的。尽管大多数元件在接收端都有输入二 极管对其进行保护，但有时过冲和下冲电平会在瞬间远远超过元件可承受的电压范围， 从而损坏元器件。 振铃表现为信号反复出现过冲和下冲，在逻辑电平的门限上下抖动，震荡成欠阻尼 状态。振铃主要是由传输线上过度的寄生电感和电容引起接收端与源端阻抗失配造成 的。同反射一样，可通过适当的端接进行抑制1 4 l 】。 芯片内部参考地与系统地之间存在引线电感，芯片输出管脚与系统地之间存在负载 电容，随着数字设备速度逐渐变快，它们的输出开关时间越来越少。如果地线通过电流 的能力不够，那么当大量的开关电路同时由逻辑高变为逻辑低时，就会导致芯片内部参 考地的电压漂移，即地弹。由于地弹与引线电感、负载电容成正比，所以应尽量减小分 布电感量，采用输入电容小的器件以避免让某个逻辑门驱动太多的负载。另外，采用上 升沿变化缓慢的器件也可以在一定程度上减小地弹的影响。 电磁干扰将导致过量电磁辐射，表现为当数字系统加电运行时，某个传输线得到类 似天线的特性，对周围环境辐射电磁波，从而干扰周围电子设备的正常工作。它产生的 主要原因是电路工作频率太高以及布局布线不合理1 4 2 j 。 在电路设计中，信号完整性问题是一个复杂的问题，往往有许多难以预料的因素会 影响整个系统的性能。因此信号完整性分析在高速电路设计中的作用举足轻重，只有解 决好高速设计中的信号完整性问题，高速系统才能准确、稳定地工作。 本设计是低速电路设计，设计的原则是尽量缩小电路板的面积，节约成本，而将信 号完整性分析放在次要位置。 本系统所需要的电压源共4 个：1 2 v ，为c c d 正常工作器件供压；5 v ，为u s b 控 3 碰件设计 1 + 论女 制器供压；4 v ，为a d 转换器件供压：3 3 v ，为c p l d 供压。本设计采用4 层