线阵CCD低噪测量系统设计方案

1、线阵CCD低噪声测量系统设计-设计论文线阵CCD低噪声测量系统设计张俊汪涛（重庆大学物理学院，中国 重庆401331 ）【摘 要】介绍了线阵CCD低噪声测量系统的结构，并从硬件和软件两个 方面处理系统噪声。CCD输出的模拟信号传输至 AD中，经过相关双采样处理 降低复位噪声。转换后的数字信号传输至FPGA 中,经低通滤波器进一步去噪后， 通过FPGA内部缓存器上传至上位机中。利用FPGA实现了 CCD和AD的驱动, 并结合Matlab软件设计低通滤波器。实验表明该系统工作稳定，精度较高。关键词线阵CCD ； FPGA;相关双采样；低通滤波作者简介：张俊（1985 ），男，陕西西安人，重庆大学硕

2、士研究生，主要 研究方向为FPGA嵌入式开发。0引言CCD（Charge-coupled Device ，电荷耦合元件）图像传感器体积小、重量轻、 功耗小、寿命长，同时具有灵敏度高、响应速度快、自扫描和光谱响应宽等优点， 被广泛应用于各个领域，包括航空航天、传媒摄像、工业生产等。随着光电子技 术的不断发展，测量系统快速采样、存储、处理和传输是系统新的发展方向。由 于线阵CCD实时控制较为容易，而且价格便宜，所以广泛应用于非接触的尺寸 测量、质量检验、自动化及机器人视觉精确定位等等 1。1系统整体结构本系统由光源、光学镜头、被测物、线阵 CCD、数据采集与传输单元和数据 显示单元构成。当光源的光

3、通过光学镜头照射在被测物体上，被测物体的相关信 息被线阵CCD记录下来，由后续的数据采集单元将模拟信号转换为数字信号， 再将数字信号进行处理，最后传输显示在上位机上。本文设计的重点是数据采集与传输单元，具体设计如图1所示。线阵CCD将光强信号转换为模拟电信号输出，再送入模数转换器中转换为12位并行数字信号。用Matlab软件设计一个低通滤波器，并结合FPGA将数字信号进行滤波 处理。滤波后的数字信号送入FPGA内嵌的存储器中进行缓存，再通过并口转串2系统硬件结构2.1图像采集模块本系统选用的图像传感器为东芝公司的 TCD1209D，这是一款两相的CCD， 主要用于传真、图像扫描和 OCR（Op

4、tical Character Recog nition 光学字符识 别）技术2。这款CCD灵敏度较高、暗信号电压较小、动态范围较大，非常适 合用于尺寸测量。共有2048个有效像元，像元尺寸为14阿X 14叩，相邻两 个光敏单元的中心距为14叩。该CCD工作需要6路驱动脉冲，由FPGA产生, 包括移位脉冲1、2，信号输出脉冲2B，转移脉冲SH，复位脉冲RS和箝 位脉冲CP。2.2模数转换模块CCD输出的信号为模拟信号，在将信号输入到微处理器前，要将信号转换为 数字信号。本系统选用的模数转换器为 AD公司生产的AD9945，该芯片最高采 样频率为40MHz ,而本系统CCD信号频率为1MHz，完

5、全能满足设计需要。 其信号链主要由相关双采样(Correlated Double Sample)，数控可变增益放大 器(Variable Gain Amplifier )和 12 位 A/D 转换器组成。为了降低CCD信号中的复位噪声，模拟信号先经过CDS处理3。在复位电 平SHP和像元信号电平SHD的上升沿，对模拟信号进行采集，并将得到的两个 信号相减，从而降低复位噪声。接着通过一个VGA增益放大器来调节信号的大小，可以通过一个10位的串行数字接口编程来设置增益的大小。最后CCD信号经过12位的AD转换器转换后，输出数字信号，并且延迟了10个像素的时钟。2.3FPGA 模块本系统使用的FPG

6、A芯片为Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8， 通过设计产生CCD和AD的驱动信号，并结合 Matlab软件对数字信号进行低 通滤波处理，处理后的信号经过缓存和传输，显示在上位机上。3系统软件设计根据系统的硬件设计，软件程序主要包括三个功能模块：时序功能模块、滤 波功能模块和数据传输功能模块。3.1时序功能模块为了使CCD正常工作，必须设计出符合 CCD正常工作的时序脉冲。将两相时钟频率1、2设为1MHz，则RS和CP的频率也为1MHz 。AD9945需包含三个方面的时序设计：（1）串行数字接口 SDATA、SCK和SL,对内部寄存器 进行配置；（2）相关双采样信号S

7、HP、SHD，以及数据像素同步时钟DATACLK；（3）光学暗电平钳制脉冲，减少暗电平噪声。3.2 滤波功能模块本系统设计了低通滤波器对数字信号滤波，是结合Matlab和FPGA实现的4。系统设计的滤波器为有限脉冲响应（Finite Impulse Response，FIR）滤 波器，使用窗函数设计方法。CCD输出信号频率为1MHz，经AD转换后数字 信号频率仍为1MHz，所以我们将低通滤波器的截止频率设为 1.2MHz，采样频 率设为5MHz。通过Matlab设计了一个32阶的低通滤波器，系数的量化位数 为12比特。量化后得到的滤波器系数为：FF8、001、00D、000、FE3、FFB、0

8、3B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8, 系数呈现出对称性。通过Matlab软件得到滤波器系数后，利用 FPGA对数据进行滤波。本系统 使用FIR滤波器直线型结构，相当于一个乘累加运算，且乘累加运算的次数由滤 波器阶数决定。同时累加运算由串行结构来实现，即每级延时单元与相应系数的 乘积结果进行累加后输出，因此整个滤波器实际上只需要一个乘法器运算单元。 由于FIR滤波器系数具有对称性，所以进行对称系数的加法运算也由一个加法器 串行实

9、现i. .1 1 . ._L_L一W W44KtKtX#X#MirMir -3.3数据传输功能模块经过滤波后的数字信号先经过存储器进行缓存，我们设计一个FPGA内嵌的 异步FIFO对数据进行缓存处理。由于 CCD的信号频率为1MHz，所以写时钟 频率设为1MHz。将串口传输速率设为9600bps，则FIFO读时钟频率应大于 9600/12HZ，将读时钟频率设为 0.8MHz。同时设置空、满标志信号来判断何时将数据写入和读出FIFONlUAiflNlUAifl ACCOMACCOM譽濯遥前辰的顒谓图2 2 M M則abab仿K8DK8D犒号盪蘆馬石的频谐图MLW W喝忡値:d d少代傅吋g强巧弼

10、好芥- 图3 3取躍活鸵光强分布圏从FIFO中传输出来的12位并行数据需要转换为串行数据，才能通过串口上 传至上位机中。需要在FPGA内部设计一个移位寄存器，并行数据传输至移位寄 存器后，在通过数据缓冲寄存器输出。4系统测试与分析搭建实验平台，进行系统测试。将被测物选为双缝，其衍射条纹投射在线阵CCD上，通过系统数据采集与传输，传输至上位机中。我们将未加低通滤波器 时采集到的数据保存为txt格式，并用Matlab进行仿真，图2所示为CCD信 号滤波前后的频谱图，从图中我们可以看出，原信号中频率成分大于1.2MHz的信号被滤除，仿真证明滤波效果较好。图 3中显示了实验中得到的CCD时域 信号，通过对比我们可以看出经过滤波后的条纹更加平滑，毛刺也相应减少了。5 结论本文设计的低噪声测量系统是基于 FPGA技术的，由于FPGA具有运算速度 快、配置灵活等诸多优点，提高了系统的运算速度和集成度。本文从硬件和软件 两方面对CCD噪声进行了处理，提高了系统的测量精度。该测量方法可以推广 到具有更高工作频率的CCD测量系统中，例如无接触位移测量和振动测量等领 域。参考文献1王鑫，陈骥，曹久大，等线阵CCD高速数据采集与实时处理系统J.光电子激光2