（微电子学与固体电子学专业论文）emccd信号采集与数据传输的实现.pdf

硕士论文 摘要 经过多年的发展，c c d 在安防监控、空间探测、天文观测、工业检测等领域得到 了广泛应用，其应用范围也从原来可见光条件扩展到微光环境中。e m c c d ( e l e c 仃o n m u l t i p l i c a t i o nc c d ) 作为新型微光c c d ，以其高灵敏度、低噪声等优点在微光成像领 域具有广阔的应用前景。 本文介绍e m c c d 结构及工作原理，研究比较几种e m c d d 图像采集系统，设计 了基于f p g a 的e m c c d 信号采集与数据传输系统。系统选用t i 公司生产的t c 2 5 3 图像传感器作为成像器件，采用越t e r a 公司f p g a 芯片构建系统硬件开发平台。以 f p g a 作为设计载体，使用) l 硬件描述语言设计了e m c c d 驱动时序、a d 采样 时序、数据管理模块以及p a l 制显示模块，同时为实现对系统灵活有效的控制设计了 用户自定义i p 核。利用基于f p g a 的s o p c 技术构建了n i o s 系统控制核，通过对其 应用软件的开发实现系统控制以及网络传输功能，系统通过网络与p c 端上位机进行 图像数据以及控制指令传输，实现图像数据的远距离传输。 在系统设计完成后，对系统中各模块及整个信号采集与数据传输系统进行测试。 测试结果表明该系统工作稳定成像清晰，曝光时间和增益控制效果明显，达到了设计 要求。 关键词：e m c c d ，信号采集，数据传输，f p g a ，s o p c ，n i o si i a b s t r a c 七硕士论文 a b s t r a c t a r e ry e a r so fd e v e l o p m e n t ，c c dh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n ya s p e c t s ，s u c ha s s e c u r i t ym o n i t o r i n g ，s p a c ed e t e c t i o n ，a s t r o n o m i c a lo b s e a t i o n ，i n d u s 仃i a lt e s t i n g ，e t c a n d i t s 印p l i c a t i o ns c o p ei s a l s oe x t e n d e dt o 也el o w l i g h te n v i r o n m e n t 丘o mm eo r i g i n a l v i s i b l e - l i g h tc o n d i t i o n e m c c d ( e l e c 仃o nm u l t i p l i c a t i o nc c d ) ，an e wt y p eo fl o w - l i g h t i m a g i n gd e v i c e ，d u et oi t sh i g hs e n s i t i v i t ya n d1 0 wn o i s e ，t h ee l e c t r o nm u l t i p l y i n gc c d h a s b r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s t h i sp a p e rp r e s e n t sm es t m c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fe m c c di m a g es e n s o r ， s e v e r a le m c d di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m sa r ea n a l y s e da n dc o m p a r e d ，a n dae m c d d i m a g ea c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o n s y s t e m i s d e s i g n e db a s e d o nf p g a ( f i e l d p r o 乒锄m a b l eg a t ea j l r a y ) t h ee m c c dc h i pt c 2 5 3o ft ii sc h o s e na st 1 1 ei m a g es e n s o r ， a n dp d t e r a sf p g ai sc h o s e na st h eh a r d w a r ed e s i g np l a t f o r mo ft h es y s t e m e m c c d d r i v i n gs c h e d u l e s ，a dd r i v i n gs c h e d u l e s ，d a t am a n a g e m e n tm o d u l e 肌dp a ld i s p l a y m o d u l ea r ed e s i g n e dw i t hv h d lh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，c u s t o mi pc o r e sa r e d e s i g n e dt oc o n 仃o lt l l es y s t e mn e x i b l ya n de 伍c i e n t l y t h en i o ss y s t e mc o n t r o lc o r eb a s e d o ns o p ci su s e dt oc o n t r o lm ee m c d d i m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n dt o r e a l i z et h et r a n s m i s s i o no fi m a g ed a t aa n dc o n t r o lc o m m a n d sb e t w e e nt h es y s t e ma n d c o m p u t e r a r e rm ec o m p l e t i o no fm ee n t i r ed e s i g n ，m es y s t e ma n da 1 1m ec o m p o n e n t si n v 0 1 v e d i nt l es y s t e ma r et e s t e d t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mw o r k ss t a b l ya n dm ei m a g e sa c q u i r e da r ec l e 鸩t h er e s u l t ss a t i s 矽m er e q u i r e m e n to f d e s i 2 n k e yw o r d s ：e m c c d ，i m a g ea c q u i s i t i o n ，d a t at r a l l s m i s s i o n ，f p g a ，s o p c ，n i o si i 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 目录 摘要i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1 微光成像器件1 1 2e m c c d 研究现状1 1 3 论文主要工作2 1 4 论文结构一2 2e m c c d 及系统整体设计4 2 1e m c c d 结构4 2 2e m c c d 工作过程4 2 2 1 电荷产生4 2 2 2 电荷存储4 2 2 3 电荷转移5 2 2 4 电荷检测7 2 3 e m c c d 系统整体设计8 2 3 1 模拟驱动板1 0 2 3 2 控制板1 0 2 3 1 3 输出背板1 1 3e m c c d 系统硬件设计l2 3 1 时序发生模块1 2 3 1 1 时序分析1 4 3 1 2 时序设计1 6 3 2 数据管理模块2 1 3 2 1s r a m 写控制模块一2 2 3 2 2s r a m 读控制模块一2 2 3 2 3 读写控制模块2 3 3 3 视频产生模块2 4 3 4n i o s 控制核2 5 3 4 1s o p c 系统2 5 i 目录 硕士论文 3 4 2a d 9 9 4 5 配置i p 核一2 7 3 4 3 增益控制核3 4 3 4 4d m 9 0 0 0 a 核3 8 3 4 5n i o s 控制核4 l 3 5 硬件系统结构4 2 4e m c c d 系统软件开发4 3 4 1n i o s 软件开发4 3 4 1 1h a l 系统库介绍4 3 4 1 2n i o si ii d e 工程结构4 3 4 1 - 3 设备驱动程序设计4 4 4 2 网络传输4 8 4 2 1t c p i p 协议4 8 4 2 2t c p i p 协议通讯过程4 9 4 2 3 定制数据包协议头一5 0 4 3 软件系统工作流程：5l 5 系统测试及分析5 3 5 1c c d 时序发生模块测试5 4 5 2 自定义i p 核测试5 6 5 2 1a d 9 9 4 5 配置i p 核测试一5 6 5 2 2 增益控制核测试5 7 5 3 网络测试5 8 5 3 1u d p 发送测试5 8 5 3 2u d p 接收测试5 9 5 4 上位机程序测试6 0 5 5 系统成像测试6 1 5 5 1 曝光时间调节测试6 1 5 5 2 增益调节测试一6 2 6 结论与展望6 4 6 1 工作总结6 4 6 2 研究展望6 4 致谢6 6 参考文献6 7 附录6 9 硕士论文e m c c d 信号采集与数据传输的实现 1 绪论 1 1 微光成像器件 自上世纪7 0 年代美国贝尔实验室的w s _ b o v l e 和g e s m i m 发明了第一只电荷耦 合器件c c d ( c h a 唱ec o u p l e dd e v i c e ) 以来，c c d 器件以其体积小、噪声低、工作速 度快、寿命长等诸多优点受到人们高度重视，已成为光学图像获取的主要器件。其应 用范围也从可见光扩展到微光环境中，目前在微光成像领域得到广泛应用的c c d 传 感器包括以下三种，像增强c c d ( i c c d ) 、电子轰击c c d ( e b c c d ) 以及电子倍增 c c d ( e m c c d ) 1 1 。 i c c d 是在c c d 芯片前端加有像增强器，光子进入i c c d 首先打在光电阴极上产 生光电子，光电子在强电场的加速作用下与微通道板发生碰撞，电荷发生倍增，倍增 后的电荷轰击在荧光体上产生比原有入射信号更强的光信号，最后产生的光信号由光 纤耦合到c c d 芯片成像区，实现微光信号的探测【2 】。但i c c d 存在量子效率低、寿命 短以及价格昂贵等问题。 在e b c c d 中入射光子打在光电阴极上产生光电子，光电子在强电场的驱动作用 下加速直接打到c c d 成像区产生更多的电子，实现入射信号的增强。在强电场作用 下光电阴极在产生光电子的同时会产生一些离子，这些离子在强电场下加速轰击 c c d ，会对c c d 造成损伤，影响e b c c d 使用寿命【2 j o e m c c d 是采用了电子倍增技术的c c d ，e m c c d 在读出寄存器和输出放大器之 间加入倍增寄存器，信号电荷在读出之前实现了倍增，极大的提高了信噪比。相比 i c c d 和e b c c d ，e m c c d 具有光电转换效率高、体积小、成本低、寿命长、功耗低 等优点【3 1 。 e m c c d 拥有极高的灵敏度和信噪比，能够在低照度环境下达到优良的成像效果。 这些特性使得e m c c d 适用于荧光成像、活细胞荧光蛋白成像、钙离子流显微观测等 生命科学领域，在如玻色爱因斯坦凝聚、天文观测及中子星x 射线观测等物理研究 领域e m c c d 也得到了广泛应用【4 l 。e m c c d 技术作为目前c c d 行业最先进、应用前 景广泛的技术，相信e m c c d 将会是未来微光成像领域的主流。 1 2e m c c d 研究现状 目前在全球范围内掌握e m c c d 芯片技术公司只有两家，分别是英国的e 2 v 公司 和美国的t i 公司。2 0 0 1 年，e 2 v 公司推出了l 3v i s i o n 系列e m c c d 产品，产品包括 c c d 6 5 、c c d 6 0 、c c d 8 7 以及c c d 9 7 芯片。不久之后，t i 公司推出了i m p a c t r o n 系 1 绪论硕士论文 列e m c c d 芯片，产品包括t c 2 5 3 、t c 2 4 7 以及t c 2 8 5 芯片。同时，基于e m c c d 芯 片的e m c c d 相机研制工作的也取得了长足发展，目前国内外已有几十家公司生产和 研制e m c c d 相机【5 1 ，如美国普林斯顿仪器公司的p r o e m 系列e m c c d 相机，a n d o r 公司产生的用于成像的i x o n 系列相机以及用于光谱领域的n e 叭o n 科学级e m c c d 相 机。还有日本滨松公司生产的i m a g e m 系列背照式e m c c d 相机，其相机运用了最新 的制冷技术和c c d 电路设计技术。除此之外，日立、p h o t o m e t r i c s 公司也生产e m c c d 相机。 目前国内专门从事e m c c d 相机研制的单位还不多，西北核工业研究所 6 】、中科 院光电技术研究所【3 1 以及国家天文台【7 1 做过e m c c d 相机方面的研究，因此做一些 e m c c d 方面的研究工作具有现实意义。 1 3 论文主要工作 本文对e m c c d 图像传感器结构及工作原理进行研究，从e m c c d 信号采集与数 据传输系统构建、系统硬件设计和系统软件开发等方面，全面论述了基于f p g a 的 e m c c d 信号采集与数据传输系统功能和设计，实现e m c c d 图像信号的采集及传输 功能，并对e m c c d 信号采集与数据传输系统进行测试分析。 论文主要工作包括： 1 在研究e m c d d 图像采集系统的基础上，确定e m c c d 信号采集与数据传输系 统方案，并对系统进行合理的模块划分。 2 对e m c c d 图像传感器的成像过程以及驱动时序信号进行研究分析设计 e m c c d 工作时序，采用v ) l 语言利用有限状态机方法设计实现e m c c d 图 像传感器的工作时序。 3 针对系统硬件构建自定义i p 核，编写相应的驱动函数，利用s o p cb u i l d e r 构 建系统控制核硬件。 4 在s o p cb u i l d e r 生成的硬件系统基础上，利用n i o si ii d e 开发环境进行系统 软件开发，实现计算机与信号采集与数据传输系统通讯控制功能。 5 对e m c c d 信号采集与数据传输系统各模块和整个系统进行测试分析。 1 4 论文结构 本论文组织结构如下： 第一章为绪论部分。对微光成像器件以及e m c c d 研究现状进行了介绍，给出论 文主要工作及论文结构。 第二章介绍了e m c c d 以及以及系统整体设计。这一章介绍了e m c c d 芯片结构， 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 并以e m c c d 图像传感器工作过程为主线介绍了e m c c d 的工作原理，比较了几种图 像采集系统的特点，完成e m c c d 信号采集与数据传输系统方案。 第三章详细介绍了e m c c d 信号采集与数据传输系统硬件设计。在对t c 2 5 3 图像 传感器深入分析的基础上设计了e m c c d 驱动时序模块，同时为了实现对硬件系统的 灵活控制，针对硬件系统特点设计了自定义i p 核及其驱动程序，采用s o p cb u i l d e r 构建n i o s 控制核，最终使用q u a r t u si i 软件完成系统硬件架构。 第四章介绍了系统软件开发。在第三章构建的硬件系统上进行软件开发，本章对 n i o si i 软件开发以及t c m p 协议作了介绍，编写网口控制芯片的驱动程序实现系统 的以太网通讯功能，最后介绍了系统的工作流程。 第五章为系统测试与分析，在这一章中首先对构成e m c c d 信号采集与数据传输 系统的各模块组件进行测试，最后对整个系统进行成像测试分析。 第六章为总结与展望部分。本章对全文工作内容进行总结，指出设计中存在的不 足以及进一步改进方向。 2 e m c c d 及系统整体设计硕士论文 2e m c c d 及系统整体设计 2 1e m c c d 结构 电子倍增c c d ( 即e m c c d ) 采用了电子倍增技术，与普通c c d 相比有更高的 灵敏度，可以在低照度下清晰成像。e m c c d 结构如下所示 读出寄_ ；掌蒜 | c 妾增寄存器翳出艘大器 图2 1e m c c d 结构 e m c c d 由成像区、存储区、读出寄存器、倍增寄存器以及输出放大器构成，与 普通帧转移c c d 相比，e m c c d 在读出寄存器和输出放大器间多出一组倍增寄存器【引。 成像区由按顺序排列的像素组成，像素点之间由沟阻隔离，成像区与存储区的行数、 列数相同，只是成像区的面积大于存储区的面积。在存储区下方为读出寄存器，读出 寄存器个数与存储区列数一致 9 1 。在读出寄存器后的是倍增寄存器，信号电荷在经过 倍增寄存器时电荷数发生倍增。在倍增寄存器之后是输出放大器，输出放大器将信号 电荷转化为电压值输出。 2 2e m c c d 工作过程 e m c c d 的工作过程与普通c c d 相似，都由电荷产生、电荷存储、电荷转移以及 电荷检测四个过程组成1 0 。但在电荷转移过程中，与普通c c d 相比e m c c d 多了电 荷倍增这一过程。 2 2 1 电荷产生 光入射到c c d 成像区上，入射光子进入衬底发生光电转换，衬底中处于介带的 电子吸收光子量能后从介带跃迁进入导带，产生电子空穴对形成光生电荷1 1 。 2 2 2 电荷存储 c c d 是在m o s ( 金属一氧化物一半导体) 晶体管电荷存储器的基础上发展起来的， 4 硕士论文e m c c d 信号采集与数据传输的实现 在结构上可以把c c d 看作是由按规则排列的m o s 电容器组成的。 金 氧化层 习兽 p 即、 导体 ( 8 ) u g 【，也 耗| i _ s i ( b ) 一一r 一厂一卜一 一 卜一 t 一 - p 反钽7 r ! ( c ) 图2 2m o s 管栅极电雎! j 势阱深度 上图为m o s 管栅极所加电压与势阱深度关系示意图。图( a ) 为m o s 管金属栅 极未加电压，p 型半导体中的多数载流子空穴均匀分布未产生势阱。图( b ) 中m o s 管金属栅极加正偏压，栅极下方产生电场，该电场排斥栅极下方的空穴产生耗尽区。 随着栅极所加偏压的增加耗尽区不断延伸，当所加偏压u g 超过阈值电压u 。h 后，栅极 附近电场增加到足够强吸引p 型半导体中的少数载流子电子，住栅极附近形成一层极 薄但电荷浓度很高的反型层，如图( c ) 所示，反型层电荷的存在表明了m o s 结构存 储电荷的功能【l2 | 。 c c d 在曝光期间栅极加有超过阈值电压的偏置电压，电极f 产生反型层。当光入 射到c c d 成像区产生电子一空穴对，电子一空穴对在电场的作用f 向相反方向移动，其 中电子向电极下方运动，最终存储在电极下方的势阱中。 2 2 3 电荷转移 在曝光过程中c c d 中产生并存储信号电荷，之后进入电荷转移过程。c c d 中的 电荷转移过程包括电荷从成像区垂直转移到存储区，存储区中电荷转移到读出寄存器， 以及在读出寄存器和倍增寄存器中的水平转移过程i l3 | 。这些电荷转移过程发生在不同 的区域，但是转移过程的原理是一样的，都是在不同电极之间的配合下信号电荷包从 一个m o s 管下转移到另一个m o s 管f 。电荷转移过程如图2 3 所示。 2 e m c c d 及系统整体设i 硕上论文 2 v1 0 v2 v 2 v 2 y 1 0 2 vl o v2 v q99q z 艺蔓览喳邑蔓茏蔓走蔓 宁旷 电衙在移动 ( d ) 2 v1 0 vl o v2 v 口t l 曼_ 男 毋：l 堂 立 予，f ( f ) 图2 - 3 电荷转移 在转移之前电极1 偏压为l o v ，其他电极偏压为2 v ，电极1 _ 下势阱中存有电荷， 如图( a ) 所示；在图( b ) 中，电极l 电压保持l0 v 不变，电极2 上所加电压由2 v 变到1 0 v ，由于电极l 与电极2 之间距离很小，两电极下方的势阱合并在一起，原来 在电极1 下方势阱中的电荷变为这两个电极下势阱所共有【1 4 】，如图( c ) 所示。当电 极l 的偏压由1 0 v 变为2 v ，电极2 偏压保持不变，电极l 下的势阱变浅电荷向电极l 下方势阱移动，如图( d ) 所示。电极1 偏压降为2 v 后，电极1 下势阱消失，电荷全 部转移到电极2 下的势阱中，如图( e ) 所示。至此信号电荷完成由电极1 到电极2 的转移过程。电荷转移过程中电极上所加驱动信号如图( f ) 所示。 e m c c d 中电荷包在倍增寄存器中的转移过程与普通转移过程有所不同，倍增寄 存器结构及驱动波形如图2 4 所示l1 5 】。 6 e 3 州c 2 h v 幽3o a l & 南p k 籼山厶 、一1 一 ， 嚣 、擎 曼t 蠊p 图2 4 倍增寄存器结构及驱动波形 其中电极巾1 和电极巾3 由电压幅值约1 0 v 的标准时钟驱动，原来一个电极巾2 由 一一k翮一一一 卫一 煳遣一 州i 国一 w 是一 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 电极巾2 h v 和电极巾d c 所取代。电极巾2 h v 所加电压比电荷转移所加电压高很多( 约 4 0 5 0 v ) 【1 6 1 ，在巾2 h v 前的巾d c 电极加有一个小的偏置电压( 约4 v ) ，巾2 h v 和蜩c 之间的电压差在两电极间产生一个强电场，电予在穿过电场过程中得到加速，发生碰 撞电离产生新的电子，即电子倍增。式2 1 为单级增益公式1 1 7 】 g = 1 + 尺( 2 1 ) 式中r 为单级倍增寄存器增益值约为0 0 1 ，其值随电极咖2 h v 高电平电压值增加 而增加。e m c c d 单级增益很小，但电荷包经过多级倍增寄存器之后倍增效果明显， e m c c d 总增益公式【1 7 j 如式2 2 所示 g 。= g ”= ( 1 + 尺) 。 ( 2 2 ) 式中n 为倍增寄存器数量。单级增益g 值非常小，但总增益与单级增益成指数倍 的关系，所以总增益g 。，很大。 2 2 4 电荷检测 c c d 电荷检测就通过c c d 上输出放大器将电荷信号转换为电压或电流信号后输 出，目前c c d 输出方式主要有电流输出、浮置扩散放大器输出和浮置栅放大器输出 三种方式引。目前通常采用浮置扩散放大器f d a ( f l o a t i n gd i 胤s i o na m p l m e r ) 输出法， 这种方法具有大的信号输出幅度( 数百毫伏) ，以及良好的线性和较低的输出阻抗。 夺1 l 2 夺3o gc i rn do o 图2 5 浮置扩散放火器输：“电路 上图为c c d 浮置扩散放大器输出电路示意图，浮置扩散放大器输出电路由复位 晶体管t i 和输出放大晶体管t 2 电路组成。电荷读出时序如下图2 6 所示 一f：； 2 e m c c d 及系统整体设 硕上论文 1 i 。一n 馈通电压 r i j1 r 、，0 s t i i b i 涪号电压 j 图2 6 读出时序 在驱动脉冲的作用下信号电荷包转移到输出放火器，当复位脉冲由r 为高电平时， 场效应管t l 处于导通状态，结电容c 。充电，电压值到达电极r d 电压值。输出放大 晶体管t 2 工作在饱和区，0 s 输出电平v o s 。由r 进入低电平后，t l 进入截止状态，由 于存在漏电流，输出信号下降到馈通电压。电极中3 为低电平时，信号电荷进入c 。， 与c 。上电荷中和，输出信号下降到信号电压，信号电压的下降值b 为有效信号。 2 3e m c c d 系统整体设计 完整的e m c c d 图像采集系统主要由以下几部分构成：前端光学系统，e m c c d 采集模块、a d 采集模块、图像处理模块、图像显示和后端计算机，图像采集系统结 构如下图所示。 e m c c d j 乏学 r 、 索统 ：襄搬嘎 y 匿 图2 7e m c c d 图像采集系统结构 在e m c c d 图像采集系统中，e m c c d 采集模块采集入射到e m c c d 成像面上的 图像信息，a d 采集模块将e m c c d 输出的模拟信息转化为数字图像信号，图像处理 模块处理接收到的数字图像信号，图像显示模块剧j - 提供图像显示接口，用于图像信 息的实时输出显示。后端的计算机用r 接收存储图像信。皂、，以及对图像进行处理。 图像处理模块作为采集系统的核心，其性能对于系统起决定性作用。根据图像处 理模块中主控芯片类型，可分为如下几种_ 【2 0 】： 1 使用单片机，例如t i 的m s p 4 3 0 2 l 】，这类处理器速度较慢，无法满足大面阵 ，。_棚 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 c c d 图像采集系统的需要，目前已逐步被淘汰。 2 采用d s p 芯片处理。与单片机相比d s p 芯片采用哈佛结构，内嵌硬件乘法器、 累加器，而且有些d s p 专门设计了适合图像信号处理的指令集，更适合于数 字信号处理【2 引。但采用d s p 作为主控芯片，系统的灵活性较差，适用范围比 较窄。 3 采用可编程逻辑器件f p g a 。随着可编程逻辑集成电路技术的飞速发展，如今 f p g a 的逻辑门数超过百万门级，内部还集成了硬件乘法器、p l l 、存储器、 处理器等各种功能模块。各公司还提供了完备的开发环境，例如a l t e r a 公司的 q u a n u si i 开发环境，用于快速构建嵌入式系统的s o p cb u i l d e r ，以及用于数 字信号处理d s pb u i l d e r 。这些软件的出现使得采用f p g a 开发图像处理系统 更加灵活方便，利用f p g a 开发图像处理系统已成为新趋势。 4 采用f p g a + d s p 实现图像处理系统，这种结构充分利用了f p g a 强大的并行 处理能力和d s p 在数字信号处理上的优势。利用f p g a 实现运算量大、实时 性高的算法，而结构复杂的算法则由d s p 完成，这种结构有极强的灵活性及 通用性。但采用f p g a + d s p 结构在硬件构成上复杂，增加系统调试难度。 除图像处理模块中主控芯片不同外，图像处理模块与计算机接口也有多种形式 【2 3 】，包括并口、串口、p c i 接口、u s b 接口以及网络接口。由于受到传输速度以及传 输距离的限制，并口以及串口已很少使用。p c i 接口传输速度快，但是安装麻烦，且 受计算机p c i 插槽数量限制，可扩展性差。u s b 接口方式传输速度快、易扩展，支持 热插拔，但u s b 存在传输距离近的问题。采用网络接口即能保证传输速度，而且解决 了传输距离限制的问题，已成为图像采集系统与计算机通讯的主流接口方式。 e m c c d 信号采集与数据传输系统采用越t e r a 公司的f p g a 芯片作为图像处理模 块核心，采用以太网与计算机通讯。e m c c d 采集系统采用模块化设计，将这个系统 分为三块电路板进行设计，三块电路板分别为模拟驱动板、控制板、输出背板。系统 组成如图2 8 所示。 9 2 e m c c d 及系统整体设计 硕士论文 爿磷e ( 。瓣础缕譬 一a a 譬壮仁1 ， 凇辑陌薄黢嚣k 攘怒餐阉投 螭秘鬟偿孽 控褰；援桶| 圭i 骛扳 1 科癌俗譬卜 。 辑增齄擎精 籀 徉聱茹譬 、 y 图2 - 8e m c c d 信号采集与数据传输系统结构图 系统由模拟驱动板、控制板和输出背板组成。模拟驱动板将接收到的图像信号转 换为数字信号传输至控制板，控制板对图像数据进行处理，通过输出背板实现图像实 时显示以及图像数据的输出，同时，控制板通过网络接收控制指令对整个系统进行控 制。系统板卡功能如下 2 3 1 模拟驱动板 模拟驱动板为e m c c d 芯片提供满足电气要求的各类驱动信号，保证e m c c d 采 集到图像信号，同时将e m c c d 采集到的图像信号转化为数字信号。模拟驱动板主要 由e m c c d 芯片、驱动时序产生模块、增益控制电路、直流偏置模块、a d 芯片以及 电源模块构成。 图2 9 模拟驱动板 模拟驱动板结构如上图所示，本系统为了实现增益控制功能，设计了增益控制模 块实现e m c c d 的增益值调节功能。 2 3 2 控制板 控制板作为整个采集系统的核心产生各类驱动控制信号。核心控制单元f p g a 芯 1 0 硕士论文e m c c d 信号采集与数据传输的实现 片产生e m c c d 驱动时序信号以及a d 采样信号，将接收到的e m c c d 图像数据以p a l 制视频格式输出，同时通过网络接收p c 端上位机程序的控制指令，完成系统控制及 图像数据上传工作。控制板主要由f p g a 芯片、s 洲芯片、s d 洲芯片以及e p c s 芯片构成，其结构如下图所示。 图2 - 1 0 控制板 控制板作为系统控制核心，对系统性能起关键性作用，其内部结构设计是系统设 计过程中的重点，在第三章将对其进行详细介绍。 2 3 3 输出背板 输出背板主要完成采集图像的输出以及系统与p c 的通讯功能，系统采用p a l 制 视频实现图像数据的本地输出，同时通过百兆网络实现图像数据的远距离传输。输出 背板由视频输出芯片、网络控制芯片、b n c 接口以及r j 4 5 接口构成，其结构如图2 1 1 所示。 图2 1 1 输出背板 3 e m c c d 系统硬件设计硕士论文 3e m c c d 系统硬件设计 控制板作为采集系统核心是系统设计中的重点，本系统采用f p g a 作为控制核心， f p g a 芯片产生c c d 的驱动信号、a d 采样信号、a d 配置信号、增益控制信号、鼢山 制图像信号以及网络信号。其内部程序模块与外部连接关系如下图所示 图3 - 1f p g a 内部模块设计与外部连接关系 f p g a 内部程序模块与外部连接关系如上图所示，其中白色模块为f p g a 内部模 块，深色模块为外部端口及电路模块。f p g a 内部模块由时序发生模块、n i o s 控制核、 数据管理模块以及视频产生模块构成。f p g a 内部模块与模拟驱动板上时序驱动模块、 a d 芯片、增益控制模块，控制板上s d 删芯片、s r a m 芯片，以及输出背板上的 d m 9 0 0 0 a 、a d v 71 2 3 芯片相连。 系统设计中利用f p g a 高速、并行处理能力强的特点，采用v h d l 语言构建了时 序发生模块、数据管理模块以及视频产生模块，同时利用基于f p g a 的s o p c 技术构 建了n i o s 控制核。 3 1 时序发生模块 时序发生模块产生e m c c d 芯片工作过程中所需的驱动信号以及a d 采样信号， 信号输出至模拟驱动板上的时序驱动模块以及a d 芯片的采样信号端，驱动e m c c d 1 2 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 芯片，控制a d 芯片采集e m c c d 输出模拟信号。 该系统选用t i 公司生产的t c 2 5 3 芯片作为成像器件，t c 2 5 3 芯片属于帧转移型 c c d 芯片，像素数6 8 0 ( 列) x5 0 0 ( 行) ，像素大小7 4 啪x7 4 u m ，最高工作频率 1 2 5 m h z ，芯片结构如下图所示 2 4 1 。 2 4 - “晕萤著 一5 嚣 毒蓑景紊一 k 奄誉考尊嚣 t ! 蕊号 蔓童至 l 一 毒鲁互 o p 6 酬曲醢p 酗i s ( o p b l 一 厂 2 4 6 5 6 豢三奇每晏 ( 。 4 呻肇奄哥毒嚣 1 鹅 一一= l 一一r ；学专毫蠡i 葺 图3 - 2t c 2 5 3 ：西片结构 t c 2 5 3 由成像区、存储区、读出寄存器、倍增寄存器以及输出放大器组成。成像 区和存储区之间由4 行暗像素隔离，成像区左侧为暗像素，这些暗像素提供了暗背景 值，可用于视频处理电路恢复黑色视频电平。t c 2 5 3 芯片水平位移寄存器由读出寄存 器和倍增寄存器组成。其中有6 5 6 个读出寄存器，4 0 0 个倍增寄存器，2 8 6 个哑像素2 4 1 。 t c 2 5 3 引脚分布如图3 3 所示 图3 3t c 2 5 3 引脚图 3 e m c c d 系统硬件设计硕士论文 t c 2 5 3 芯片引脚功能介绍如下表 表3 1t c 2 5 3 引脚功能 0 d b 曝光溢出控制 i a g l 、i a g 2 成像区转移信号 s a g l 、s a g 2存储区转移信号 s r g l 、s r a g 2水平读出信号 c m g 倍增极信号 3 1 1 时序分析 3 1 1 1e m c c d 工作流程 e m c c d 工作流程如下图所示 图3 4e m c c d 工作流程 e m c c d 工作流程如图3 4 所示，曝光期间进入e m c c d 的光子在成像区中转化 成电荷，曝光结束e m c c d 进入帧转移阶段，在帧转移阶段成像区的电荷整体转移到 存储区中。在帧转移完成后进入图像信号检测过程，首先，存储区中的信号电荷整体 向下移动一行，存储区中最后一行信号电荷转移到读出寄存器中，这一过程即为行转 移。行转移结束后进入串行读出阶段，在串行读出阶段中转移入读出寄存器中的信号 串行转移到读出放大器，将图像信号转换成电压输出。一次行转移和串行读出过程读 出c c d 中一行图像数据，为了读出所有的图像数据需要进行多次的行转移及行读出， 直到所有图像都读出。 3 1 1 2e m c c d 工作过程中的驱动信号 t c 2 5 3 芯片的o d b 信号为曝光溢出控制信号，其电压值为三态。 1 4 硕士论文 e m c c d 信号采集与数据传输的实现 图3 5o d b 信号 不同工作状态下的0 d b 信号值如上图所示。在清除阶段，0 d b 为高压；在积分 与读出阶段o d b 信号电压为中间值；在帧转移过程中，o d b 信号为低电压。 在帧转移过程中，c c d 成像区电极认g l 、队g 2 与存储区电极s a g l 、s a g 2 相 配合，将成像区的电荷包转移到存储区中。其相位关系如下图所示 蚓r 。a 位一几 s a g lr s 艘厂 图3 6 早次转杉时序 单次转移时序如图3 6 所示，单次转移将成像区和存储区中的电荷包整体向下移 动一行。t c 2 5 3 芯片成像区共有5 0 0 行，需要重复5 0 0 个单次转移才能将整帧图像从 成像区到存储区，帧转移时序如下图所示。 r n 厂 脯2 厂 一j v 弘g ，r r 厂 驺g 2r 厂 i 图3 7 帧转移时序 行转移过程中，存储区图像信号电荷整体下移一行，最后一行图像信号电荷转移 到读出寄存器中，行转移时序如下图所示 s 矧几 一_ s 艘几 一_ 图3 8 行转移时序 在e m c c d 信号串行读出阶段，水平读出信号s r g l 、s r g 2 以及倍增极信号c m g 3 e m c c d 系统硬件设计 硕士论文 三者时序关系如下图所示。 蹒，1 一几一l 蹒k 几几厂 c 隔n 几l 图3 9 串行读出 c c d 信号的输出波形与串行读出信号的相位有关，同时针对c c d 读出方式采用 相关双采样( c o l l r e l a t e dd o u b l es 锄p l i n g ，c d s ) 技术采集c c d 输出信号，c d s 中采 样信号s h p 、s 皿需要精准的采集c c d 输出信号中的馈通电平、信号电平才能获取 有效的c c d 信号 2 5 1 。在实际调试过程中需要根据c c d 输出相位关系调整s h p 、s 皿 时序，所以将a d 采样信号s h p 、s 皿放在串行读出过程中进行设计，串行读出时序 及a d 采样信号如图3 1 0 所示。 一厂 。厂 厂厂 s ，厂 厂 厂 s 瞅 一一厂1 一i _ 一一厂 一一一。厂 一一 一 丌f 1n几 一 1几几几 图3 1 0 串行读出时序 图中c m g 为倍增极信号，s r g l 、s r g 2 为水平读出信号，v o u t 为c c d 输出信 号，s h p 、s h d 为a d 采样信号。 3 1 2 时序设计 e m c c d 属于帧转移器件，在曝光结束后的帧转移阶段中成像区中的电荷进入存 储区，成像区又可进行下一帧图像的曝光，在曝光期间e m c c d 完成图像信号的读出。 1 6 硕士论文e m c c d 信号采集与数据传输的实现 因此将e m c c d 工作时序划分为曝光状态和帧转移状态，在曝光状态中完成行转移以 及行读出过程，状态图如下所示。 ( 亘炎 ； ! 1 l 囝7 图3 - 1 1e m c c d 工作流程状态图 整个驱动时序采用有限