（测试计量技术及仪器专业论文）基于usb的线阵ccd图像采集系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术的发展，图像传感器越来越多的应用在科学研究和生产生活中，目前 使用的主要是c c d 图像传感器和c m o s 图像传感器。其中以c c d 为采集数据源的图 像采集技术取得了长足的进步，作为高性能的光电图像传感器以其优良的性能广泛应用 于遥感成像、高精测量、景物鉴别、图文传真和工业检测控制等领域。 本文在分析当前图像采集系统的前提下，充分利用u s b 和f p g a 的高速、灵活等 优势，提出并设计了一种基于u s b 接口的线阵c c d 图像采集系统。系统以x i l i n x 公司 的f p g a 为核心控制器，设计了线阵c c d 驱动模块、图像数字转换器驱动模块、f i f o 控制模块、u s b 接口控制等模块。采集的图像数据通过u s b 总线传送到p c 机，并利 用编写的应用程序实时显示。 在图像采集系统的硬件设计方面，选用东芝公司的t c d l 2 0 9 d 芯片进行线阵c c d 硬件驱动电路设计，利用具有相关双采样技术的图像数字转换器x r d 9 8 l 5 9 作为c c d 输出视频信号的a d 转换器，选用支持u s b2 0 传输协议的u s b 控制器c y 7 c 6 8 0 1 3 设 计了接口电路，以及系统的f p g a 核心控制器x c 3 s 2 0 0 电路及其外围电路等。在软件 设计方面，利用x i l i n x 公司的i s e8 2 软件开发平台采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言实 现线阵c c d 驱动时序、图像数字转换器驱动时序、以及s l a v ef i f o 接口方式的u s b 控 制芯片驱动时序设计；对u s b 的固件程序、u s b 驱动程序以及p c 机端的w i n d o w s 应 用程序设计进行了重点的讨论。 在完成了软硬件设计后，对系统进行严格调试。实验结果表明，本文提出的设计方 案可行，所设计的图像采集系统能够完成对c c d 所采集到的图像进行实时的显示并存 储等基本功能。 关键词：线阵c c d ；u s b ；f p g a ；图像采集 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo fl i n e a rc c db a s e do nu s b a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，i m a g es e n s o ri sm o r ea n dm o r eu s e di n s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dp r o d u c t i o na n dl i v i n g , a n dn o wi ti s m a i n l yc c di m a g es e n s o ra n d c m o si m a g es e n s o r a sc o l l e c t e dt h ed a t as o u r c ef o rt h ec c d i m a g ec a p t u r et e c h n o l o g yh a s m a d ec o n s i d e r a b l ep r o g r e s s ，a sah i 【g h p e r f o r m a n c eo p t o e l e c t r o n i ci m a g ei m a g es e n s o rf o ri t s e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei sw i d e l yu s e di nr e m o t es e n s i n gi m a g i n g , h i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ， s c e n ei d e n t i f i c a t i o n ，f a x ，a n di n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lf i e l d s a f t e ra n a l y s i so ft h ec u r r e n ti m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，m a k i n gf u l lu s eo fu s ba n d f p g a sh i g h 。s p e e d ，f l e x i b i l i t ya n do t h e ra d v a n t a g e s ，t h i sp a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lt h ed e s i g n s c h e m ea b o u ti m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mo fl i n e a rc c db a s e do nu s bi n t e r f a c e t h es y s t e m u s e sx i l i n x sf p g a 硒c o r ec o n t r o l ，d e s i g n i n gl i n e a rc c dd r i v em o d u l e ，i m a g e d i g i t a l c o n v e r t e rd r i v em o d u l e ，f i f oc o n t r o lm o d u l e ，u s bi n t e r f a c ec o n t r o lm o d u l ee t c t h e c o l l e c t e di m a g ei st r a n s m i t t e dt op ct h r o u g hu s b ，a n du s ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ev i e wo ft h e c a p t u r e di m a g ei nr e a l - t i m e i nt h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，t h i s p a p e rc h o o s e st o s h i b a s t c d l 2 0 9 dl i n e a rc c dt od e s i g nd r i v i n gc i r c u i t ，w i t hac o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n gt e c h n i q u e u s i n gi m a g e d i g i t a lc o n v e r t e rx r d 9 8 l 5 9 嬲a dc o n v e r t e ro ft h ec c do u t p u tv i d e os i g n a l ， c h o o s i n gu s b c o n t r o l l e rc y 7 c 6 8 0 1 3w h i c hs u p p o r t su s b 2 0 p r o t o c o lt od e s i g nt h ei n t e r f a c e c i r c u i t ，a n dt h ef p g ac o r eo ft h es y s t e mc o n t r o l l e rx c 3 s 2 0 0c i r c u i t a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t i nt h es o f t w a r ed e s i g na s p e c t ，t h eu s eo fx i l i n x si s e8 2s o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m u s i n gv e r i l o gh d lt oa c h i e v el i n e a rc c dd r i v et i m i n g ，i m a g e - d i g i t a lc o n v e r t e rd r i v i n g t i m i n g ，a n dt h es l a v ef i f oi n t e r f a c em o d eo ft h eu s bc o n t r o l l e rc h i pd r i v et i m i n gd e s i g n ； f o c u s s i n go nd i s c u s s i n gu s bf i r m w a r ep r o g r a m ，u s bd r i v e r , 筋w e l l 鹤p c - s i d ew i n d o w s a p p l i c a t i o n sd e s i g n a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ，d e b u g g i n gt h es y s t e ms t r i c t l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e dd e s i g ni sf e a s i b l e ，a n dt h ed e s i g n e di m a g e a c q u i s i t i o ns y s t e mc o u l dm a k et h ei m a g ec o l l e c t e db yc c dd i s p l a yi nr e a l - t i m ea n ds a v es u c h b a s i cf u n c t i o n s k e yw o r d s - l i n e a rc c d ；u s b ；f p g a ；i m a g ea c q u i s i t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堑竺兰塑三竺望堡銎隘 作者签名：垂嵯t 一日期：竺l 年鱼月卫日 人连理i ：大学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理_ t 大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 图像是现代信息社会中最基本的信息，由于大规模集成电路和计算机技术的不断发 展，越来越多的领域在应用图像技术，并逐步成为促进各个有关科技领域发展的重要手 段。例如，遥感成像、高精测量、景物鉴别、图文传真和工业检测控制等。图像技术包 括图像采集、图像传输、图像存储、图像处理等，其中图像采集是图像处理系统的最i j i 端，是图像技术的基础和关键。随着信息高速公路和数字地球等概念的提出和发展，图 像技术已得到更加充分的发展，并在现代信息社会中占据了非常重要的地位。 现代仪器仪表在技术上正走向数字化、智能化、网络化、微型化发展，也可分类描 述为：科学测试仪器正由单台智能化逐步走向通用模块化并实现即插即用，灵活方便地 组成针对不同对象的自动测试系统；难于实现网络化的大型科学仪器，向更高的测量精 度、高可靠性和环境适应性方向发展，其使用的自动化水平不断提高，并普遍具有自补 偿、自诊断、自故障处理等智能化功能。 本论文讨论的是一个基于u s b 接口的线阵c c d 图像采集系统。该选题来源于一个 光电色选机的功能改进项目，该产品是一种利用被检测物质和杂质颜色差别的特性，剔 除杂质的设备，有着广泛的应用。原产品没有图像显示部分，随着企业对数据加工、分 析、使用的需求不断增加，应市场的需求，为了更加直观的观察到物料纯度及剔除杂质 的效果，需要对原有的产品功能进行改进和完善。 目前在工业控制和仪表测控行业中广泛使用的总线和接口标准是i s a 、p c i 、r s 2 3 2 、 r s 4 8 5 等，它们有的传输速率低、稳定性能差，成为通信的瓶颈，有的扩展能力差、安 装麻烦，且都不支持即插即用功能，兼容性差。如果不采用新的总线和接口标准，这将 大大制约仪器仪表行业的发展。 近年来，u s b 技术已成为计算机领域发展最快的技术之一，并为越来越多的个人电 脑使用者所接受。若将外围设备连接到计算机上，u s b 接口是优先的选择，不管是使用 外围设备的用户，还是开发u s b 软硬件的设计者，u s b 都有让双方满意的特性。u s b 作 为一种通用的接口标准，它拥有支持即插即用、热插拔、传输速率高、连接灵活、独立 供电等特点。如果仪器仪表采用u s b 技术，不仅可以实现高速的数据传输，而且可以 改善仪表的稳定性、可靠性、抗干扰性，提高仪表的使用寿命。 正如上述所说的u s b 众多优点，结合项目的改进需求，系统的设备上选用了u s b 接口作为图像数据传输的渠道。 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 1 2 研究现状 目前国内外对图像采集系统的研究主要集中在基于p c 机的图像采集，通过p c 机 的外围接口接收图像采集卡传入的数据以p c 机强大的处理能力来实现图像的采集及处 理。随着p c 机性价比的不断提高和图像采集卡的不断完善，p c 机图像采集卡系统 得到广泛的普及和应用。 近年来，实时或准实时图像采集系统的应用范围不断扩大，所以对其性能的要求也 不断提高。对图像采集系统研究的关键部分主要集中在图像传感器、核心控制器、数据 传输接口电路。 用于图像传感器的器件主要有c c d 和c m o s 两大类。同本、美国等发达国家在 c c d 图像传感器的研制和应用方面取得了令人瞩目的成果。目前c c d 像元数己从1 0 0 万像元提高到2 0 0 0 万像元以上，大面阵、小像元的c c d 摄像机层出不穷。美国 e g & g r e t i o n 研制出8 1 9 2 x 8 1 9 2 像元高分辨率c c d 图像传感器。高分辨率、高速度、 高灵敏度、微型化、多光谱化已成为c c d 技术的发展趋势。就当前应用情况来看，c m o s 器件的成像质量还不如c c d 器件的成像质量好，但由于c m o s 的电路简单、集成度高、 读取速度快、高信噪比等优点，使得其受到广泛关注，并且应用领域也在不断扩大。 c m o s 图像传感器的研究主要集中在智能化、高帧速度、宽动态范围、高分辨率、低噪 声、低功耗。例如：以色列t r a n s c h i p 公司丌发的高质量手机用摄像机，内部集成了i s p ， 并整合了j p e g 图像压缩功能；加拿大d a l s a 公司的c m o s 图像传感器最高可达2 0 0 0 0 帧秒；目前c m o s 图像传感器的最高分辨率可达3 1 7 0 x 2 1 2 0 像烈1 1 。 目前图像采集系统中，用于系统核心器件一般有f p g a ，数字信号处理器d s p ，以 及特定用途集成电路a s i c 。d s p 作为当前信号处理的主流芯片，主要用于数字信号处 理领域，非常适合高密度，重复运算及大数据容量的信号处理，拥有强大数据处理能力 和较高运行速度。a s i c 芯片体积小、可靠性高，但是其设计周期长、造价高、功能单 一，而且a s i c 一旦投入使用，建构的系统灵活性差，新的技术和算法只能重新设计芯 片来实现，这样导致a s i c 芯片通用性较差1 2 1 。f p g a 是在a s i c 基础上发展而来，具有 高速、高可靠性、开发周期短、开发工具先进、可并行处理等a s i c 无法比拟的优点， 而且可以根据后期的需要进行现场编程，多次擦写，设计比较灵活。f p g a 的速度不断 提高，片内资源也越来越丰富，在可编程逻辑解决方案领域，x i l i n x 公司处于世界领先 地位。其最新发布的4 0 n mv i r t e x 6 系列f p g a 工作频率达到6 0 0 m h z ，片内逻辑单元数 多达7 5 8 ，7 8 4 个，用户i o 口数量也达到了1 2 0 0 个【3 j 。国内外现在主要采用f p g a 作为 大连理t 大学硕士学位论文 核心器件代替d s p 或者a s i c 芯片来实现图像采集和处理，并在此基础上，还能利用 f p g a 实现外围逻辑控制，提高了系统的集成度。 图像采集系统与p c 机的数据传输接口有多种选择，其中的u s b 2 0 版本于2 0 0 0 年 正式发布后，其支持的数据传输速率可达到4 8 0 m b p s 。由于u s b 接口连接方便、支持 即插即用，且传输速率高等优点，现在国内外普遍重点研究的是应用u s b 作为数据传 输接口。u s b 接口进入测量仪器是从1 9 9 8 年开始的，当时的i o t e c k 和n i 两家公司首 先在他们的数据采集仪器中使用了u s b 接口。2 0 0 0 年横河电机开始在数字示波器上安 装u s b 接口。之后安捷伦、力科、泰克也在数字示波器上配备了u s b 接口。2 0 0 3 年， 因为安捷伦和n i 在广泛应用的虚拟仪器软件结构( v i s a ) 的i o 层增加了对u s b 的支 持，所以u s b 接口普遍被台式、便携式、模块式测量仪器接受为标准接口之一【钠。目前， 国内的嘉恒中自公司的o k 系列面阵c c d 图像采集卡中提供u s b 2 0 接口的产品。经实 际应用，证明u s b 接口在测量仪器中确实是简单方便和低成本的互联技术，它在数据 采集系统取得了令人瞩目的成果。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要内容是实现以线阵c c dt c d l 2 0 9 d 为图像传感器的图像采集系统， 以f p g a 芯片为主控制处理器，负责方案确定以及软硬件功能的具体实现，使用了u s b 作为图像采集卡与p c 机传输数据的接口，并在p c 机上实时显示采集到的图像。 课题内容包括： ( 1 ) 图像采集系统的总体方案设计。包括：系统模块的划分以及系统解决方案的 确定。 ( 2 ) 图像采集系统的硬件设计 c c d 驱动电路设计。 图像数字转换器控制接口电路设计。 u s b 控制器接口电路设计。 以f p g a 为核心的硬件电路设计。 ( 3 ) 图像采集系统的软件设计 利用f p g a 内部数字时钟管理器实现对输入时钟的分频设计，完成c c d 驱动时 序、图像数字转换器控制接口时序和u s b 接口时序设计。 编写固件程序。利用k e i lu v i s i o n 3 开发工具，用c 语言完成u s b 芯片内部固件 程序的编写。 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 编写设备驱动程序。利用d r i v e rd e v e l o p m e n tk i t ( d d k ) 和v i s u a lc + + 6 0 ，开 发出在w i n d o w sx p 系统下运行的驱动程序，并能满足图像采集的要求。 编写p c 端应用程序。利用v i s u a lc + + 6 0 完成了图像数据的接收，并实时的动 态显示图像，以及对图像存储、二值化等基本操作。 ( 4 ) 在以上硬件和软件设计完成后，要对f p g a 配置下载，利用x i l i n x 公司的在 线片内逻辑分析工具( c h i p s c o p e ) 对系统进行在线调试，并对结果进行分析验证。 ( 5 ) 软硬件调试完成后，对整个图像采集系统进行实物联机调试。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统方案设计及开发工具介绍 2 1 系统总体结构 图像采集系统主要由照明系统、线阵c c d 图像传感器、图像数字转换器电路、数据 缓存电路及u s b 接口与控制电路等组成，系统总体结构图如图2 1 所示。系统的主要功 能是将被测对象的光学图像信号转换成c c d 的视频信号，经过a d 图像数字化后缓存 于存储器中，最后经过u s b 接口电路把所存数据送入计算机中，并实时显示图像画面。 图2 1 总体结构图 f i g 2 1 o v e r a l ls t r u c t u r a ld i a g r a m 利用稳压源使照明系统发出均匀、稳定的光照射在被测对象上，被测对象表面的图 像信息通过光学镜头把目标缩小成像到线阵c c d 的像敏面上。线阵c c d 在控制器的驱 动下完成光电转换，并将转换后的信号送给a d 转换器实现图像信号数字化，由高速 f i f o 进行数据缓存，然后由u s b 接口电路送入计算机，最后利用计算机的应用软件将 采集到的图像数据进行实时的显示和处理。 2 2 系统开发平台及工具 ( 1 ) 软硬件平台的选择 系统采用p c 机作为硬件平台，因为它有较强的通用性、开发难度低且开发周期短。 软件平台是p c 机主流的操作系统w i n d o w s ，其功能强大、支持多任务、应用软件丰富， 是软件平台的首选。 ( 2 ) 驱动程序开发工具 目前开发w i n d o w s 环境下的设备驱动程序主要有两种方式，一是采用m i c r o s o f t 公 司提供的驱动程序开发包d d k ，或是采用第三方工具进行开发。d d k 功能强大，编程灵 活，适用范围广，可应用于各类硬件驱动程序的编写，但编程难度较大，对编程人员的 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 要求也较耐5 1 。第三方工具主要有d r i v e r s t u d i o 工具包和w i n d r i v e r 工具包，前者是一 个集成驱动开发包，它包括v t o o l s d 、s o f t l c e 和d r i v e r w o r k s ，既可以开发w i n 9 x 中的 虚拟设备驱动程序，又可以开发w i n n t 、w i n 2 0 0 0 、w i n x p 下的驱动程序，功能比较强 大，开发难度适中。后者w i n d r i v e r 是开发周期最短，相对最容易开发驱动程序的工具， 但效率低，并存在发布问剧剐。 由于系统选用了c y p r e s s 公司的e z - u s bf x 2 系列的u s b 接i ：3 芯片及其开发工具 包，因此采用了d d k 修改例程的方式进行驱动程序开发。 ( 3 ) e d a 工具 2 0 世纪9 0 年代，国际上在电子和计算机技术方面较先进的国家，一直在积极探索 新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，并取得了巨大 成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件( 如c p l d 、f p g a ) 的应用，已得到广 泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编 程而能够对其硬件结构和工作方式进行重构，从而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系统设计方法、设计过程和设计观念，促 进了e d a 技术的迅速发展。 e d a 是电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 的缩写，在2 0 世纪9 0 年 代初从计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( a 蝴) 、计算机辅助测试( c a t ) 和计算机辅助工程( c a e ) 的概念发展而来的。e d a 技术就是以计算机为工具，设计 者在e d a 软件平台上，用硬件描述语言h d l 或原理图完成设计文件，然后由计算机自 动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标 芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。简而言之，e d a 技术就是利用软件程 序和工具来设计并实现硬件产品。e d a 技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和 可行性，并减轻了设计者的劳动强度。 目前，e d a 技术已经成为现代电子设计领域的基本手段，涵盖印制电路板( p c b ) 设计、可编程逻辑器件开发、专用集成芯片设计以及系统验证等诸多领域【7 j 。 系统利用p r o t e l 9 9 s e 作为设计p c b 板的工具，采用x i l i n x 公司的i s e8 2 作为可编 程逻辑器件的开发工具。i s e 是x i l i n x 公司提供的专用e d a 集成开发工具，它提供完 整的可编程逻辑设计解决方案，用于实现最优性能、功率管理、降低成本和提高生产率， 帮助用户在更少的时i 日j 内实现业内最快速的f p g a 性能。另外，课题中还使用了 m o d e i s i ms e 软件对h d l 语言进行仿真并利用c h i p s c o p ep r o 软件对f p g a 进行在线调 试与验证。 人连理t 大学硕十学位论文 ( 4 ) 应用软件开发工具 选用m i c r o s o f t 公司功能强大的v i s u a lc + + 6 0 作为应用软件的开发工具，并利用 k e i lu v i s i o n 3 和w i n d o w sw d md d k 辅助开发u s b 设备。 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 3 系统硬件设计 3 1图像采集系统硬件结构 系统主要完成的任务是将采集到的图像数据通过u s b 总线传输到计算机中，这一 过程需要完善的硬件平台作为保障才能将大量数据实时无误的传输。该硬件平台包括如 下几个部分：线阵c c d 图像传感器、x r d 9 8 l 5 9 图像数字转换器、f p g a 控制器电路、 f p g a 配置电路、u s b 接口电路，硬件结构图如图3 1 所示。线阵c c d 图像传感器将 采集到的图像信号转化成电压信号输出，然后经过x r d 9 8 l 5 9 图像数字转换器将模拟的 电压信号转换成数字信号。f p g a 是整个系统的控制核心，系统采用的是x i l i n x 公司的 x c 3 s 2 0 0 ，它不仅对线阵c c d 图像传感器、a d 转换器以及u s b 控制器的控制驱动， 而且把x r d 9 8 l 5 9 输出的数字图像信号缓存于利用i p 核( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ) 产生的 f i f o 缓存器中。u s b 总线是把图像数据传入p c 机的传输通道。 f p g a _ 一配爱芯片 。l x c f 0 1 s 线阵c c 。 c c d 及a d 转换 电路时序驱动器 状态 u s b 1，上 机控 控制器 制器 x r d 9 8 l 5 9 a d 转换器 f i f o 缓存器 u s b 1 p c 和l , 3 2 c c d 硬件设计 图3 1 硬件结构图 f i g 。3 1 h a r d w a r es t r u c t u r a ld i a g r a m 线 3 2 1c c d 的工作原理 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 即电荷耦合器件是基于金属一氧化物一半导体 ( m o s ，m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) 技术的光电转换器件，它是由很多光敏像元组成 的，即在p 型( 或n 型) 硅衬底的表面用氧化方法形成一层厚度约0 1 y m 的二氧化硅 层，再在二氧化硅上蒸镀一层金属膜，并用光刻的方法制成栅状电极。c c d 的基本工 一8 一 大连理t 大学硕十学位论文 作步骤为：把入射光子转变成电荷，把这些电荷转移到输出放大器上，并把电荷转变成 电压或电流信号，使这些电压或电流能被传感器外的电路感知1 8 j 。当栅极施加j 下偏压后， 空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸，将半导体 电子吸引到表面，形成一层极薄( 约1 0 。2 m m ) 但电荷浓度很高的反型层。c c d 中电荷 从一个位置转移到另一个位置，在开始时刻，有一些电荷存储在偏压为1 0 v 的第一个电 极下的势阱中，其它电极上均加有大于阈值的较低电压。经过一定时刻后，各电极上的 电压发生变化，电荷包向右移动。将按一定规律变化的电压( 如外部的时钟电压) 加到 c c d 各电极上，电极下的电荷包就沿半导体表面按一定方向转移到输出端，实现图像 的自扫描，从而将照射在c c d 上的光学图像转换成电信号图像，直接显示图像全貌1 9 1 。 图3 2 是线阵c c d 的结构示意图，可以看出器件主要有光敏区、转移区、输出单 元这三部分组成。光敏区由n 个光敏元排成一列，光敏单元始终进行光积分，当转移栅 加高电平时，n 个光信号电荷包并行转移到所对应的那位c c d 中，然后，转移栅加低 电平，转移中断，进行下一行积分。n 个电荷包依次沿着c c d 串行传输，每驱动一个 周期，各信号电荷包向输出端方向转移一位，第一个驱动周期输出第一个光敏元信号电 荷包；第二个驱动周期输出第二个光敏元信号电荷包，依次类推，第n 个驱动周期输出 第n 个光敏元信号电荷包。当一行的n 个信号全部读完，产生一个触发信号，使转移 栅变为高电平，将新一行的n 个光信号电荷包并行转移到c c d 中，开始新一行信号传 输和读出，周而复始【l 0 。 慧h 茎竺塑l 脉冲l 一 介 c c d 驱动脉冲 图3 2 线阵c c d 结构图 f i g 3 2 t h es t r u c t u r eo fl i n e a rc c d 电荷耦合器件按照其结构可分为线阵c c d 和面阵c c d 两类。线阵c c d 结构简单， 成本较低，其感光元件排列在一条直线上，欲获取二维图像，必须配以扫描运动，在此 过程中，被测对象或线阵c c d 在电机驱动下水平前移，按照固定的时间间隔采集一行 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 图像。从理论上讲，电机运动速度应该是匀速的，c c d 采集图像的时间间隔主要取决 于光积分时间，也应该是相等的，因此行距应该是相等的。线性c c d 的这种工作方式 决定了它得到一幅完整的影像需要较长的时间，即曝光时间较长。面阵c c d 结构比线 阵c c d 复杂，成本较高，像元总数多，每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制， 但优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。 3 2 2c c d 的主要特性参数 ( 1 ) 转移效率 转移效率t 1 是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一 个栅时，有”部分的电荷转移过去，余下e 部分没有被转移，e 称转移损失率，根据电 荷守恒原理有： ，1 = 1 一e ( 3 1 ) 由定义可知，一个电荷量为q 。的电荷包，经过1 1 次转以后的输出电荷量应为： q = a o r ” ( 3 2 ) 即总效率为： q 。q o = r l “ ( 3 3 ) 由于c c d 中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使”值几乎接近1 ， 但其总效率往往仍然很低。 ( 2 ) 暗电流 c c d 成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。由于工艺过程不完善及材料不均 匀等因素的影响，c c d 中暗电流密度的分布是不均匀的。暗电流的危害主要有两个方 面，即限制器件的低频限和引起固定图像噪声。 ( 3 ) 灵敏度 指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压( 电流) 。曝光量是指光强与光照 时问之积，也相当于投射到光敏元上的单位辐射功率所产生的电压( 电流) ，其单位为 v 刖( a 例) 。c c d 的光谱响应基本上由光敏元材料决定，也与光敏元结构尺寸差异、 电极材料和器件转移效率不均匀等因素有关。 ( 4 ) 光谱响应 c c d 对不同波长的光的响应程度是不一样的。例如，c c d 对蓝光的响应是比较差 的，这是因为在多晶硅中蓝光被吸收的比较厉害，以及在多晶硅氧化物一硅等层中引 大连理工大学硕+ 学位论文 起的多层干涉的结果。通常把响应度等于峰值响应的一半所对应的波长范围称为光谱响 应范围。普通c c d 的光谱响应范围为4 0 0 1 1 0 0 n m 。 ( 5 ) 噪声 c c d 的噪声可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声和热噪声。 散粒噪声 在c c d 中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的 不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪声。这种噪声常被称为散粒噪声，它与 频率无关，是一种白噪声。散粒噪声代表着器件最高信噪比的极限，片外的信号处理电 路不能对此噪声进行抑制【1 1 j 。 转移噪声 转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有累积性和相关 性。累积性是指转移噪声是在转移过程中逐次累积起来的，与转移次数成正比。相关性 是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电荷包在转移过程中，每当有一过量q 电 荷转移到下一势阱时，必然在原来势阱中留下减量q 电荷，这份减量电荷叠加到下 一个电荷包中，所以电荷包每次转移要引起两份噪声。这两份噪声分别于前、后相邻周 期的电荷包的转移噪声相关。 热噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在o k 以上，无论其中有无外 加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大，它相当于电阻热噪声和电 容的总宽带噪声之和。 以上3 种噪声源是独立无关的，所以c c d 得总噪声功率是它们的均方和。在c c d 图像数据采集过程中，要尽可能的得到精确的c c d 信号，且最大程度的降低c c d 的噪 声，提高信噪比。降低噪声的主要方法有：采用相关双采样c d s ( c o r r e l a t e dd o u b l e s a m p l i n g ) 技术、双斜积分法、小波变换校j 下法、提高c c d 工作频率、带通滤波器法【1 引、 制冷方法【1 3 】等。本系统采用了基于数字技术的相关双采样方法对噪声进行抑制。 ( 6 ) 分辨率 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它表明c c d 成像器件对景物细节的鉴别能 力。通常用每毫米能分辨的线对数表示，即l p m m 。有时也用可分辨的最小尺寸表示， 它是可分辨的空间频率的倒数。例如一个c c d 能分辨的最大空间频率为2 0 1 p m m ，则 可分辨的最小尺寸为0 0 5 m m 。分辨率与c c d 器件的像素尺寸有直接关系，像素尺寸越 小，分辨率越高。通常可分辨的最小尺寸约为像素尺寸的2 倍。目前c c d 的像素尺寸 为6 - 1 4 比m ，可分辨的最小尺寸为0 0 1 2 - - 0 0 2 8 m m ，对应的线对数为8 5 3 5 1 p m m 。 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 3 2 3c c d 驱动电路设计 c c d 是图像采集系统的核心，在应用c c d 图像传感器时，需要解决的问题主要有 两个，即产生正确的脉冲时序驱动c c d 器件和输出信号的采集处理。为了保证c c d 图 像传感器正确稳定的工作并充分发挥它的光电转换功能，必须设计出能够产生符合c c d 器件工作所需时序的驱动控制电路。系统利用先进的f p g a 技术产生高速稳定的c c d 驱动时序，具体的程序实现部分将在第四章详细介绍。 ( 1 ) t c d l 2 0 9 d 芯片基本结构1 1 4 j 系统选用了日本东芝公司生产的t c d l 2 0 9 d 线阵c c d 图像传感器，它是一款高速、 低暗电流的2 0 4 8 像元线阵c c d 器件。其最高驱动频率为2 0 m h z ，芯片封装形式为d i p 2 2 双列直插式，t c d l 2 0 9 d 引脚说明如表3 1 所示。 表3 1t c d l 2 0 9 d 引脚说明 t a b 3 1 t c d l 0 2 9 dp i nn a m e 图3 3 所示为t c d l 2 0 9 d 原理结构图，由图可知，t c d l 2 0 9 d 是一款二相单沟道型 线阵c c d ，它是由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器及信号输出单元组成。该器件由 2 0 7 5 个p n 节光电二极管构成光敏元阵列，其中前1 9 个和后8 个光电二极管被遮掩， 是用作暗电流检测，图中用d n 表示，中间的2 0 4 8 个光电二极管是有效光敏单元，图中 用s n 表示。每个光敏单元的尺寸为1 4 , u m x l 4 u m ，相邻两个光敏元的中心距也为1 4 ，,urn 光敏单元阵列的总长度为2 8 6 7 2 m m 。 大连理工大学硕士学位论文 c pr s中2 bm l中2s s 图3 3t c d l 2 0 9 d 原理结构图 f i g 3 3 t h ep r i n c i p l ec o n s t r u c t i o no ft c d l 2 0 9 d ( 2 ) t c d l 2 0 9 d 驱动信号时序分析 t c d l 2 0 9 d 采用双相时钟驱动，要想驱动此c c d 正常工作，除了要提供1 2 v 电源 外，还要提供6 个驱动信号：s h 转移脉冲信号、r s 复位脉冲信号、c p 缓冲控制脉冲 信号、f 1 和f 2 ( f 2 b ) 模拟移位寄存器的驱动双相脉冲信号。其中f 2 和f 2 b 都是f 2 转移电极的驱动信号，只是f 2 b 在模拟移位寄存器上所处的位置最靠近输出端，信号 电荷将从f 2 b 电极下的势阱通过输出栅转移到输出端。f 2 b 和f 2 的时序是一样的，可 以合并为一路信号，所以c c d 实际上只需5 个驱动信号即可。当转移脉冲s h 的高电 平期问驱动脉冲f1 必须也为高电平，而且保证s h 的下降沿也落在f1 的高电平上，才 能保证光敏区的信号电荷并行的向模拟移位寄存器的f1 电极里转移。完成信号电荷的 并行转移后，s h 变为低电平，光敏区与模拟移位寄存器被隔离。在光敏区进行光积累 同时，模拟移位寄存器在驱动脉冲f1 和f 2 的作用下，将转移到模拟移位寄存器的f1 电极里的信号向输出方向转移，在输出端o s 得到被光强调制的序列脉冲输出，即o s 信号。 如图3 4 为t c d l 2 0 9 d 的驱动信号时序图，s h 的周期称为行周期，其应大于等于 2 0 8 8 个转移脉冲f1 的周期，这样才能保证s h 在转移第二行信号时第一行信号能全部 转移出器件【1 5 】。从图中可以看出，当s h 由高变低时，o s 输出端便开始输出。o s 端首 先输出3 2 个哑元( 其中，1 3 个虚设单元是没有光电二极管与之对应的c c d 模拟寄存 器的部分；1 6 个哑元是指被遮蔽的光电二极管对应的c c d 模拟寄存器的部分产生的信 号：3 个单元信号是可因光的斜射而产生电荷信号的输出，但其不可作为信号而处理) 后才能输出2 0 4 8 个有效像敏单元信号。有效像敏单元信号输出后，再输出8 个哑元信 s h 基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统 号( 其中包含一个用于检测一个周期结束的检测信号) 。这样1 个行周期总共包含2 0 8 8 个单元【1 6 1 。 s h 一 嚼衢竺竺竺：竺笨! ：! ：骚一 i i 。一。竹f2 = 兰兰= 竺需矗鐾嚣葛器。蚕羹奏垂塞蚕奏薹氢萎 o i 厂mnnnn 九八nnn 羽nnn 几n 一几nnnn n nn 几nnn nn 矿 们11 | nnn 餐九n 几丌兀九 肌n 1 n j l 精几n 几nn 八nn 九n 八nn 几nr r sliina 日哂h 疆nn 日娃皿l l n n n 峙rn nj l nn a n n n n n nn 胡 n c p 茸疆土j l k i u u 【j l j u 啦j l j u u i j l j l j u u l j l j u u l j l j u l j u u b j l 一 詈兰警耋塞 蚕蚕重量荔嫠萎囊蚕誉重荟誊善誊萋 曲 盘 芑芒n 兰触- j 恤心刖桃i谢 hn 跨 吲 ，1 3 成议枣元、，1 0 4 哑元1 3 1 - , x 、，2 0 4 a 4 - m g m t t l 、 单元、，4 个夏丘、，i一数据位叫 s d _ 二汇呸d 雹互x 互旺d 正义亘x 旺d 匝亘x 二 i i $ 1 1l s b 图3 7 串行接口时序图 f i g 3 7 s e r i a li n t e r f a c et i m i n gd i a g r a m ( 2 ) c d s 设置 x r d 9 8 l