行間轉移型面陣CCD圖像采集系統(tǒng)的研究

0 引言
    電荷耦合器件(charge coupled devices CCD)作為一種高性能的光電圖像傳感器，具有光譜響應寬、線性好、動態(tài)范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實時傳輸和電荷掃描等多方面優(yōu)點，目前已廣泛應用于圖像傳感和非接觸測量領域。近年來，利用可編程邏輯器件實現面陣CCD的驅動已經成為眾多科研開發(fā)者的共識，相關工程應用研究課題也如雨后春筍般出現。然而，目前國內基于面陣CCD驅動方面的研究主要針對幀轉移型面陣CCD的驅動時序的實現方面，對行間轉移型面陣CCD驅動的研究很少，本文給出了行間轉移型面陣CCD數據采集系統(tǒng)完整的軟硬件設計。

1 面陣CCD圖像采集系統(tǒng)組成
    整個系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，系統(tǒng)由圖像傳感器、智能電源模塊、時序產生及驅動模塊、視頻信號處理模塊和USB傳輸接口等部分組成。系統(tǒng)在上電時，智能電源模塊產生所需的各種電壓并按不同的順序供給CCD芯片，然后給其它模塊供電。物體透過光學系統(tǒng)將其影像投影于面陣CCD的感光區(qū)域上，CCD在驅動脈沖的作用下進行光電轉換，將物體的光信號轉變成視頻信號傳給視頻信號處理模塊，視頻信號處理模塊對視頻信號進行前置放大、抑制干擾、濾除噪聲以及數模轉換后，輸出數字圖像信號。轉換的數字圖像信號經USB傳輸接口輸出到電腦上，為后續(xù)CCD信號的分析處理提供了可靠依據。系統(tǒng)的核心是時序產生及驅動模塊，CCD正常工作所需的驅動脈沖、視頻信號處理模塊所需的采樣控制脈沖、USB傳輸所需的同步信號以及智能電源模塊上電順序的控制都由時序產生及驅動模塊提供。

2 行間轉移CCD驅動時序發(fā)生器設計
2．1 ICX098AK芯片
    按電荷包轉移方式的不同，面陣CCD可以分為：幀轉移型(FT：Frame Transfer)、行間轉移型(IT：InterlineTransfer)、幀行間轉移型(FIT：Frame Interline Transfer)。攝像機或數碼相機最常使用的方式為行間轉移方式，行間轉移CCD是幀轉移CCD的發(fā)展，也是目前市場上的主流產品。在構造上，光敏區(qū)每隔一列，就有一列遮光的垂直存儲單元。故而，每次電荷包的讀出轉移只需一次并行移動即可快速完成，從而有效降低了幀轉移型CCD產生的垂直拖影噪聲。行間轉移CCD通常具有電子快門功能，且電子快門速度可達到毫秒級別，串擾非常小。
    系統(tǒng)選用Sony公司的ICX098AK芯片作為圖像傳感器，該芯片是一款具有可變電子快門的行間轉移型彩色面陣CCD，即使無機械快門，也能實現高分辨率全幀圖像轉移：具有較低的暗電流與極好的Anti-B1ooming(抗暈光)特征。濾色器為Bayer排列方式。有效像元數為659(H)×494(V)，像敏單元尺寸為5．6μm(H)×5．6μm(V)。水平驅動頻率為12．27MHz。它有兩種工作模式，逐行掃描模式和隔行掃描模式(監(jiān)控模式)。其寄存器特征及管腳定義如圖2所示。

2．2 驅動時序分析
    不同于幀轉移方式，行間轉移CCD在構造上不需要存儲區(qū)，主要由光電二極管，垂直移位寄存器，水平移位寄存器和輸出放大器組成。ICX098AK的一個工作周期分為三個階段：感光階段、讀出階段和轉移階段。在場正程期間像敏區(qū)進行光積分(感光階段)，這個期問轉移柵為低電平，轉移柵下的勢壘將像敏單元的勢阱與讀出寄存器的勢阱隔開。場正程結束(光積分時間結束)后，進入場逆程。在場逆程期間轉移柵上產生一個正脈沖即讀出脈沖，將像敏區(qū)的信號電荷并行地轉移到垂直寄存器中，轉移過程結束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開。在下一個場正程期間，一方面感光陣列進行光積分，產生新的信號電荷；同時在行逆程期間，上一場轉移到垂直寄存器的光生電荷在垂直驅動脈沖的作用下一行行地向水平讀出寄存器中轉移。在行正程期間，水平移位寄存器受水平驅動脈沖的控制快速地將電荷包經輸出放大器串行輸出。在輸出端得到與光學圖像對應的一行行的視頻信號。
2．3 基于CPLD的CCD時序發(fā)生器的實現
    面陣CCD器件應用最重要的環(huán)節(jié)是驅動電路的設計與實現。CCD芯片所對應的原廠生產的專用驅動芯片雖然集成度高、可靠性好，但是價格昂貴且功能固定、通用性較差。本系統(tǒng)選用高速度、多端口的可編程邏輯器件CPLD作為面陣CCD的時序發(fā)生器，通過硬件描述語言VHDL，的輸入方式實現數字時序的多端口并行且高相位精度的輸出，不僅有效地控制了產品開發(fā)的成本，而且極大的提高了同類型產品開發(fā)的效率。[!--empirenews.page--]
    CCD驅動程序采用MCK時鐘(12．27MHz)3倍頻作為唯一的系統(tǒng)時鐘，通過兩個內外循環(huán)嵌套系統(tǒng)實現：行逆程的垂直轉移和行正程的水平輸出構成內循環(huán)；場周期即為外循環(huán)。兩個循環(huán)過程都是通過對系統(tǒng)時鐘的分頻、計數與組合生成所需的驅動時序。
    選用復雜可編程邏輯器件EPM7128SLC-84-10作為硬件設計平臺，并在Maxplus II軟件設計環(huán)境下進行了時序仿真，得到了完全符合ICX098AK設計要求的時序波形，如圖3所示。

3 視頻信號處理模塊
    視頻信號處理模塊是連接CCD輸出和后端數字處理的橋梁，是決定圖像質量的關鍵因素之一，也是調試中的一個難點。其主要功能有：線性放大、直流箝位、相關雙采樣、低通濾波，模數轉換。如果這些功能都采用分立元件來實現，則有電路復雜、成本高、調試困難等缺點。因此，系統(tǒng)采用了CCD信號專用處理芯片CXA2006Q和CXD2310AR來完成對CCD輸出信號的處理。
3．1 相關雙采樣技術
    由于CCD輸出的原始視頻信號中，除包含有幅值很小的有效視頻電壓信號(一般只有幾百毫伏)外，還混雜有幅度較大的復位脈沖干擾，致使有效的視頻信號常常淹沒在噪聲中。相關雙采樣(CDS)就是根據CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設計，它能消除復位噪聲的干擾，可以顯著改善信噪比，提高信號檢測精度。CDS采用兩級高速采樣保持器(S／H)，一級用來采集復位電平，即在復位脈沖過去之后至信號電荷包到來之前某一時刻的電平；另一級用來采集像元信號電平，即在水平時鐘串擾后到信號電荷到來前的某一時刻電平：然后將兩次采集的電平進行差分比較，就得到了實際的信號電平。
    系統(tǒng)選用Sony公司的CXA2006Q作為前端放大器，其采用相關雙采樣技術CDS(correlated double sampling)提取圖像信息，內部集成有CCD信號AGC(自動增益控制)控制范圍可以達到8dB～38dB，具有良好的輸入信號鉗位和CDS輸入偏移校正性能， 并提供暗電平鉗位給出準確的暗電平參考，同時為A／D提供精確的參考電平。圖4為示波器上觀察到的CCD輸出的原始視頻信號經CXA2006Q去噪后的純凈視頻信號。

3．2 模數轉換
    前端放大器CXA2006Q的輸出是模擬信號，為便于數據壓縮和傳輸，需要把它轉換成數字信號，根據技術指標要求，系統(tǒng)選用Sony公司低功耗高精度的CXD2310AR作為模數轉換器。它是一款逐次逼近型A／D轉換器，分辨率為10bit，最高采樣頻率20MSPS，最大功耗為1 50mW，最大采樣延時6ns。CXD2310AR在采樣脈沖控制下把模擬視頻信號轉換成數字視頻信號，并按規(guī)定的格式驅動輸出。

4 智能電源模塊
    面陣CCD系統(tǒng)設計的另一難點是能夠提供穩(wěn)定的多電壓，且各電壓上電順序可控的智能電源模塊的設計。實現上電順序的控制有多種方式，比較典型的方式是利用晶體管做開關，由外部控制電平作為控制輸入。利用CPLD的輸出來控制三極管的基極，雙極型線性穩(wěn)壓器MC34063升壓(降壓)后的輸出接PNP三極管的射極。經試驗證明，選用MC34063輸出的電壓會隨負載的變化而不穩(wěn)定且電壓紋波較大，進而對整個系統(tǒng)的硬件電路造成較大的干擾。因而采用Maxim公司的MAX685芯片，本芯片專為面陣CCD上電控制應用而設計，具有兩個獨立的正負電壓輸出端口；可選擇的上電順序以及邏輯電平控制上電開關；其工作頻率可以和外頻率同步，并有輸出正常標志電平(POK)，易于實現反饋控制。同時采用MAX687為CPLD及視頻信號處理電路提供3．3V的穩(wěn)定電壓。

5 結論
    在分析行間轉移面陣CCDICX098AK驅動時序關系的基礎上，完成了驅動時序發(fā)生器的軟硬件設計。采用專用視頻處理芯片對CCD原始模擬信號進行去噪、量化，運用USB2．O的傳輸接口進行圖像數據的高速傳輸，整個系統(tǒng)運用VHDL語言進行硬件編程，簡化了硬件開發(fā)的難度和復雜度，減小了系統(tǒng)的體積和功耗，滿足CCD采集系統(tǒng)向高速、小型化、智能化發(fā)展的需要。