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高帧频CCD数据采集处理系统的设计

归档日期:06-01       文本归类:帧频      文章编辑:爱尚语录

  (Charge Coupled Devices)可以将光信号的强弱转化为势阱中电荷量的多少,从而实现光电转换。它在图像获取领域中的应用必然要对器件选用Sarnoff公司的VCCD512H。结合CCD多路输出的特点,选用高速双通道A/D芯片AD9942对输出模拟信号进行分时转换,并利用FPGA系统资源丰富的特点,将CCD的系统控制和数据缓存集成在一片FPGA内,简化了系统逻辑设计。

  完整的成像系统由光学系统、焦平面电路和数据采集处理电路三部分组成。这里就数据采集处理分为:A/D转换电路和缓存及控制时序设计电路。输入图像经光源照射后,通过物镜成像在CCD光敏元件阵列上,CCD通过驱动电路完成电信号的读出。在控制电路的作用下,CCD输出信号进行缓冲放大,并经A/D转换电路进行数字化处理。通常同步采样的数据由控制信号控制双口RAM实现数据存取,为了简化电路,以Xilinx公司的FPGA(XQ2V3000)作为数据采集控制的核心,由其产生CCD驱动信号、A/D控制信号并实现数据存取。系统组成方框图如图1所示。

  VCCD512H是美国Sarnoff公司生产的一款背照式帧转移面阵CCD,像元数为512×512,光谱范围为400~950 nm。VCCD512H图像传感器由感光区、存储区、水平移位寄存器和输出电路等部分组成。感光区和存储区都包含有16个子阵列,每个子阵列含有256×64个有效像元,每个子阵列对应一组读出寄存器,整个像面则由16个子阵列,共512×512个有效像元构成,实际应用中根据工程需要采用两行合为一行的工作方式,即有效像元为512×256,每一路的有效像元数为128×64个,像元读出速率为2 MHz。

  光信号经VCCD512H传感器后输出的电信号有如下特点:负极性信号;包含有周期性的复位脉冲串扰;有效信号幅度值较小;像元读出速率快。

  CCD输出信号的上述特点决定了它不能直接送入A/D转换器,必须从硬件上进行一系列的预处理,包括信号前置反向、阻抗匹配、放大、滤波即消除信号中的复位脉冲、噪声等所造成的干扰。

  在电路设计中,由CCD读出的未经相关双采样的电信号,首先经过一级射极跟随器,并在输出端接一级RC滤波器滤除噪声,然后交流耦合至差动输出放大器,由110 Ω屏蔽双绞电缆连接至差动接收、缓冲,到采样保持电路。

  VCCD512H正常工作时需要11路驱动信号,这包括加在感光区的三相时钟脉冲A1,A2,A3;加在存储区的三相时钟B1,B2,B3;加在读出寄存器的三相时钟C1,C2,C3;清除残留电荷的复位脉冲RET;箝位脉冲CLAMP。以上驱动信号均由FPGA产生时序,但其时序不能直接输送给CCD芯片,一方面因为CCD驱动电平比较特殊;另一方面,CCD各移位寄存器等效于容性负载,而且各级容性负载不尽相同,所要求的驱动电流也不相同。所以在驱动电路的选择上,应选择具有较高电容负载驱动能力和较高工作频率,该设计选用EL7212。

  A/D芯片是数据采集系统的核心器件,数据采集系统性能在很大程度上取决于A/D芯片的性能。根据项目要求A/D器件的分辨率应为12位,转换速率为16 MHz,共16路,故选用高速A/D芯片AD9942。因它可实现两路模拟信号的40 MHz速率相关双采样(CDS),0~18 dB 9 b可变增益放大(VGA),40 MSPS模/数转换器(ADC),多极暗电平箝位控制。AD9942功能框图如图2所示。

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