CCD相機(jī)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CCD(Charge Couple Device)中文名為“電荷耦合器件”，是一種以電荷包的形式存儲(chǔ)和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件。由于CCD相機(jī)的靈敏度高、噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大等突出優(yōu)點(diǎn)，使它在天文物理學(xué)、航空航天、生物和醫(yī)學(xué)研究、X射線成像、水下攝影、分子動(dòng)力學(xué)、光譜學(xué)等科學(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)成套的中高端CCD相機(jī)大都采用圖像采集卡作為數(shù)據(jù)的傳輸方式，對電腦要求高，維護(hù)不便，嚴(yán)重阻礙了CCD相機(jī)的發(fā)展。為此本文設(shè)計(jì)了基于USB的熱插拔、高數(shù)據(jù)傳輸率的CCD相機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集總體方案

完整的CCD相機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，一個(gè)完整的CCD相機(jī)系統(tǒng)包括制冷電路、CCD芯片、信號(hào)調(diào)理電路、時(shí)序驅(qū)動(dòng)和控制電路、USB數(shù)據(jù)采集傳輸模塊等[1]。CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集總體方案如圖1所示。本相機(jī)用獨(dú)立制冷電路（具有測溫和反饋控制功能）給CCD芯片制冷，這部分電路與采集電路不發(fā)生關(guān)系，為了不產(chǎn)生影響，兩部分電路獨(dú)立，不共地。



1.1 信號(hào)調(diào)理電路

為了使CCD輸出信號(hào)能達(dá)到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)的要求，本文設(shè)計(jì)了圖2 所示的CCD輸出信號(hào)調(diào)理電路。工作原理為：輸出信號(hào)U經(jīng)過低噪聲放大器A1放大，再經(jīng)過電位器W和低噪聲放大器A2,在A3放大器和上次復(fù)位后的輸出信號(hào)相減(SH1是采樣保持器，此時(shí)保持的是上次復(fù)位后在A2放大器中的輸出信號(hào))，然后由采樣保持器SH2保持并經(jīng)A4放大輸出給A/D轉(zhuǎn)換器。A3為差分放大器，實(shí)現(xiàn)本次信號(hào)減去上次復(fù)位后的信號(hào)，從而消除復(fù)位噪聲。



1.2 A/D轉(zhuǎn)換及控制時(shí)序

CCD輸出信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)需要全盤考慮。特別是轉(zhuǎn)換器的分辨率（轉(zhuǎn)換輸出位數(shù)）和采樣與轉(zhuǎn)換速度，這是影響整個(gè)系統(tǒng)的主要指標(biāo)。同時(shí)受到CCD讀出信號(hào)、信號(hào)噪聲大小、計(jì)算機(jī)圖像處理的復(fù)雜程度等的影響和制約，而性能太高的轉(zhuǎn)換器由于受到其他因素的制約而發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，所以選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路的關(guān)鍵。在CCD采用制冷措施后，熱噪聲變的很小，通過信號(hào)調(diào)理電路可以減小復(fù)位噪聲，為了發(fā)揮制冷CCD高信噪比的優(yōu)勢，應(yīng)使用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器。綜合考慮射線圖像的信噪比、電路噪聲以及成本等因素，并參照其他CCD相機(jī)的情況，本文選擇了LTC1608CG模數(shù)轉(zhuǎn)換器,其片內(nèi)自帶采樣/保持器、16位的分辨率、轉(zhuǎn)換率為500 kS/s，其速度、精度和無管線延遲結(jié)構(gòu)使得LTC1608特別適合于高速多路復(fù)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中[2]。
CCD讀出的信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理電路后，由LTC1608進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)信號(hào)CON0由計(jì)算機(jī)通過控制電路產(chǎn)生，選通2個(gè)8 bit鎖存器74LS374，在控制電路的作用下,把上次鎖存的16 bit數(shù)據(jù)傳輸給存儲(chǔ)器IDT7204。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后自動(dòng)進(jìn)行下次采樣并輸出BUSY信號(hào),利用BUSY信號(hào)把本次的轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)在2片鎖存器中，再由下次的控制信號(hào)CON1讀入IDT7204中。A/D轉(zhuǎn)換電路圖如圖3所示。CCD信號(hào)轉(zhuǎn)移、A/D控制及數(shù)據(jù)傳輸控制時(shí)序圖如圖4所示。





1.3 FIFO

FIFO是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，它與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別是沒有外部讀寫地址線，只能順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，順序地讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動(dòng)加1完成，這樣使用起來非常簡單。FIFO一般用于不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，例如本文中FIFO的一端為LTC1608數(shù)據(jù)采集，另一端為計(jì)算機(jī)的USB數(shù)據(jù)傳輸接口，其中A/D采集的速率為16 bit 500 kS/s，那么每秒的數(shù)據(jù)量為500 K×16 bit=8 Mb/s,而本文使用的USB接口芯片CY7C64613的傳輸速率為12 Mb/s,在兩個(gè)不同的時(shí)鐘域間就可以采用FIFO來作為數(shù)據(jù)緩沖。為了保證數(shù)據(jù)正確地寫入或讀出，而不發(fā)生溢出或讀空的狀態(tài)出現(xiàn)，必須保證FIFO在滿的情況下，不能進(jìn)行寫操作。在空的狀態(tài)下不能進(jìn)行讀操作。設(shè)計(jì)中FIFO芯片IDT7204工作時(shí)序圖如圖5所示。



1.4 USB數(shù)據(jù)傳輸

由于USB接口支持即插即用，接口體積小巧、節(jié)省系統(tǒng)資源、傳輸可靠、提供電源、良好的兼容性、共享式通信和低成本等優(yōu)點(diǎn)，使得采用USB接口的CCD相機(jī)比采用PCI、光纖及串口等通信方式與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸更方便，傳輸速率更高，符合現(xiàn)代通信的要求。實(shí)時(shí)、快速、準(zhǔn)確地將數(shù)據(jù)通過USB傳遞給上位機(jī)是CCD相機(jī)的重點(diǎn)和關(guān)鍵。本CCD相機(jī)的USB接口使用的是Cypress半導(dǎo)體公司的CY7C64613芯片,它是一款全集成化外設(shè)控制器，支持USB2.0協(xié)議，內(nèi)含增強(qiáng)型8051核、豐富的端口和中斷向量、串行接口引擎SIE、通用可編程接口GPIF等資源[3]。

CY7C64613上電的處理類型有4種，這里采用首字節(jié)為0xC0的EEPROM啟動(dòng)。當(dāng)芯片上電后，檢測到首字節(jié)為0xC0的EEPROM連接到IIC總線上,此時(shí)CY7C64613自動(dòng)將VID、PID和DID等復(fù)制到片內(nèi)存儲(chǔ)器,然后CY7C64613將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)根據(jù)ID數(shù)據(jù)選擇合適的固件程序下載到USB芯片內(nèi)。最初的列舉完成后，USB主機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片復(fù)位，然后CY7C64613按照用戶設(shè)備重列舉，執(zhí)行內(nèi)部固件程序，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的初始化和與主機(jī)間的通信。EEPROM芯片24LC32A具有功耗低、允許工作電壓范圍寬、容量大、支持IIC總線協(xié)議、占用I/O端口少、擴(kuò)展方便、讀寫簡單等優(yōu)點(diǎn)。其中WP為保護(hù)引腳，為高電平時(shí)，只能對該器件進(jìn)行讀操作，用于硬件數(shù)據(jù)保護(hù)；為低電平時(shí)，可進(jìn)行讀寫操作。電路圖如圖3所示， 其中由于SCL和SDA引腳都是漏極開路和遲滯輸入的，因此必須外接2.2 kΩ的上拉電阻。

本設(shè)計(jì)采用EZ-USB芯片提供的一種高速數(shù)據(jù)傳輸模式，即GPIF模式，它是一種內(nèi)部主機(jī)控制模式，使用內(nèi)部集成的高效控制邏輯來取代外部的微控制器進(jìn)行EZ-USB端點(diǎn)FIFO的控制。在GPIF模式下，為了獲得IDT7204中的數(shù)據(jù)，將CTL0與R引腳相連，在每個(gè)R的低電平時(shí)期將數(shù)據(jù)從外部FIFO IDT7204中讀出。RDY1與EF相連，如果外部IDT7204為空，則EF為低電平，GPIF用這個(gè)引腳控制讀數(shù)據(jù)。IDT7204指針在數(shù)據(jù)傳輸過程中自動(dòng)增加，當(dāng)IDT7204指針為滿時(shí)，數(shù)據(jù)傳送完成，進(jìn)入空閑狀態(tài)，否則數(shù)據(jù)沒有完全傳輸完畢，這時(shí)就要繼續(xù)等待數(shù)據(jù)從IDT7204中傳輸過來，這就保證了IDT7204中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、安全地傳送到PC中。GPIF模式下的IDT7204讀波形圖如圖6所示[4-5]。



2? 軟件開發(fā)

USB外設(shè)所必須的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序以及固件程序的開發(fā)可以利用Cypress公司提供的CY7C64613的開發(fā)包。驅(qū)動(dòng)程序在Cypress提供的通用驅(qū)動(dòng)程序CYUSB.SYS的基礎(chǔ)上，通過調(diào)用主機(jī)控制函數(shù)庫CyAPI.lib中的函數(shù)開發(fā)USB 設(shè)備。固件設(shè)計(jì)可以用提供的固件封裝包來實(shí)現(xiàn)，封裝包里含fw.c、periph.c、lp.h、lpregs.h等文件，實(shí)現(xiàn)EZ-USB 芯片的初始化、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的處理和USB掛起電源管理等服務(wù)。固件和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)好后，可以用Cypress公司提供的EZ-USB Control Panel軟件進(jìn)行調(diào)試，固件工作流程如圖7所示。



上位機(jī)應(yīng)用軟件的工作流程如圖8所示。該應(yīng)用軟件可以控制相機(jī)的曝光時(shí)間、對采集的圖像進(jìn)行刷新、重采樣、對圖像的灰度、對比度拉伸和圖像降噪（濾波）等操作，并可以對圖像進(jìn)行多種格式的打開和存盤。

CCD相機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完成了從總體方案設(shè)計(jì)到軟、硬件調(diào)試等一系列過程，采用EZ-USB控制器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的即插即用，應(yīng)用GPIF工作模式滿足了CCD高速數(shù)據(jù)采集時(shí)數(shù)據(jù)傳輸帶寬的要求。經(jīng)初步測試，其性能和指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的要求，為以后CCD相機(jī)的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。