CCD相機的高速數據采集系統設計

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和傳遞信息的半導體表面器件。由于CCD相機的靈敏度高、噪聲低、動態范圍大等突出優點，使它在天文物理學、航空航天、生物和醫學研究、X射線成像、水下攝影、分子動力學、光譜學等科學研究領域得到廣泛的應用。目前，國內成套的中高端CCD相機大都采用圖像采集卡作為數據的傳輸方式，對電腦要求高，維護不便，嚴重阻礙了CCD相機的發展。為此本文設計了基于USB的熱插拔、高數據傳輸率的CCD相機的數據采集系統。

1 CCD相機數據采集總體方案

完整的CCD相機系統比較復雜，一個完整的CCD相機系統包括制冷電路、CCD芯片、信號調理電路、時序驅動和控制電路、USB數據采集傳輸模塊等[1]。CCD相機數據采集總體方案如圖1所示。本相機用獨立制冷電路（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生關系，為了不產生影響，兩部分電路獨立，不共地。



1.1 信號調理電路

為了使CCD輸出信號能達到A/D轉換器的輸入信號的要求，本文設計了圖2 所示的CCD輸出信號調理電路。工作原理為：輸出信號U經過低噪聲放大器A1放大，再經過電位器W和低噪聲放大器A2,在A3放大器和上次復位后的輸出信號相減(SH1是采樣保持器，此時保持的是上次復位后在A2放大器中的輸出信號)，然后由采樣保持器SH2保持并經A4放大輸出給A/D轉換器。A3為差分放大器，實現本次信號減去上次復位后的信號，從而消除復位噪聲。



1.2 A/D轉換及控制時序

CCD輸出信號的模數轉換電路設計需要全盤考慮。特別是轉換器的分辨率（轉換輸出位數）和采樣與轉換速度，這是影響整個系統的主要指標。同時受到CCD讀出信號、信號噪聲大小、計算機圖像處理的復雜程度等的影響和制約，而性能太高的轉換器由于受到其他因素的制約而發揮不了應有的作用，所以選擇合適的A/D轉換器是設計轉換電路的關鍵。在CCD采用制冷措施后，熱噪聲變的很小，通過信號調理電路可以減小復位噪聲，為了發揮制冷CCD高信噪比的優勢，應使用高分辨率的A/D轉換器。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相機的情況，本文選擇了LTC1608CG模數轉換器,其片內自帶采樣/保持器、16位的分辨率、轉換率為500 kS/s，其速度、精度和無管線延遲結構使得LTC1608特別適合于高速多路復用數據采集系統中[2]。
CCD讀出的信號經過預處理電路后，由LTC1608進行模數轉換,A/D轉換的啟動信號CON0由計算機通過控制電路產生，選通2個8 bit鎖存器74LS374，在控制電路的作用下,把上次鎖存的16 bit數據傳輸給存儲器IDT7204。A/D轉換結束后自動進行下次采樣并輸出BUSY信號,利用BUSY信號把本次的轉換結果存儲在2片鎖存器中，再由下次的控制信號CON1讀入IDT7204中。A/D轉換電路圖如圖3所示。CCD信號轉移、A/D控制及數據傳輸控制時序圖如圖4所示。





1.3 FIFO

FIFO是一種先進先出的數據緩存器，它與普通存儲器的區別是沒有外部讀寫地址線，只能順序寫入數據，順序地讀出數據，其數據地址由內部讀寫指針自動加1完成，這樣使用起來非常簡單。FIFO一般用于不同時鐘域之間的數據傳輸，例如本文中FIFO的一端為LTC1608數據采集，另一端為計算機的USB數據傳輸接口，其中A/D采集的速率為16 bit 500 kS/s，那么每秒的數據量為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,在兩個不同的時鐘域間就可以采用FIFO來作為數據緩沖。為了保證數據正確地寫入或讀出，而不發生溢出或讀空的狀態出現，必須保證FIFO在滿的情況下，不能進行寫操作。在空的狀態下不能進行讀操作。設計中FIFO芯片IDT7204工作時序圖如圖5所示。



1.4 USB數據傳輸

由于USB接口支持即插即用，接口體積小巧、節省系統資源、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點，使得采用USB接口的CCD相機比采用PCI、光纖及串口等通信方式與上位機進行數據傳輸更方便，傳輸速率更高，符合現代通信的要求。實時、快速、準確地將數據通過USB傳遞給上位機是CCD相機的重點和關鍵。本CCD相機的USB接口使用的是Cypress半導體公司的CY7C64613芯片,它是一款全集成化外設控制器，支持USB2.0協議，內含增強型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，這里采用首字節為0xC0的EEPROM啟動。當芯片上電后，檢測到首字節為0xC0的EEPROM連接到IIC總線上,此時CY7C64613自動將VID、PID和DID等復制到片內存儲器,然后CY7C64613將這些數據發送給主機，主機根據ID數據選擇合適的固件程序下載到USB芯片內。最初的列舉完成后，USB主機驅動芯片復位，然后CY7C64613按照用戶設備重列舉，執行內部固件程序，實現設備的初始化和與主機間的通信。EEPROM芯片24LC32A具有功耗低、允許工作電壓范圍寬、容量大、支持IIC總線協議、占用I/O端口少、擴展方便、讀寫簡單等優點。其中WP為保護引腳，為高電平時，只能對該器件進行讀操作，用于硬件數據保護；為低電平時，可進行讀寫操作。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。

本設計采用EZ-USB芯片提供的一種高速數據傳輸模式，即GPIF模式，它是一種內部主機控制模式，使用內部集成的高效控制邏輯來取代外部的微控制器進行EZ-USB端點FIFO的控制。在GPIF模式下，為了獲得IDT7204中的數據，將CTL0與R引腳相連，在每個R的低電平時期將數據從外部FIFO IDT7204中讀出。RDY1與EF相連，如果外部IDT7204為空，則EF為低電平，GPIF用這個引腳控制讀數據。IDT7204指針在數據傳輸過程中自動增加，當IDT7204指針為滿時，數據傳送完成，進入空閑狀態，否則數據沒有完全傳輸完畢，這時就要繼續等待數據從IDT7204中傳輸過來，這就保證了IDT7204中的數據實時、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

USB外設所必須的驅動程序、應用程序以及固件程序的開發可以利用Cypress公司提供的CY7C64613的開發包。驅動程序在Cypress提供的通用驅動程序CYUSB.SYS的基礎上，通過調用主機控制函數庫CyAPI.lib中的函數開發USB 設備。固件設計可以用提供的固件封裝包來實現，封裝包里含fw.c、periph.c、lp.h、lpregs.h等文件，實現EZ-USB 芯片的初始化、USB標準設備請求的處理和USB掛起電源管理等服務。固件和驅動程序設計好后，可以用Cypress公司提供的EZ-USB Control Panel軟件進行調試，固件工作流程如圖7所示。



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

CCD相機數據采集系統的設計完成了從總體方案設計到軟、硬件調試等一系列過程，采用EZ-USB控制器實現了系統的即插即用，應用GPIF工作模式滿足了CCD高速數據采集時數據傳輸帶寬的要求。經初步測試，其性能和指標達到了預期的要求，為以后CCD相機的研制奠定了堅實的基礎。