通用線陣CCD采集系統設計

摘要：針對設計微型光譜儀時常會根據需要更換CCD，PDA的現狀，采用Cypress公司的AD21310和Cyclone系列FPGA設計適用于多種線陣CCD和小型面陣CCD的通用采集系統，設計16口入8口出異步FIFO。提供192 Kb高速緩存空間。USB器件采用快速讀入方式，極大提高了數據傳輸速度。系統實現了多種線陣CCD采集，同時也實現了相關雙采樣技術，具有快速、便捷、模塊化的特點。
關鍵詞：數據采集；CCD；FIFO；USB


1 引言
　　隨著微型光譜儀快速發展，CCD和PDA廣泛使用，CCD和PDA的種類型號越來越多，每種型號都需要專門的驅動采集板，使得開發產品周期長、費用大。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統設計方案。該系統在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD，并上傳至PC機，使用軟件處理采集到的數據。

2 通用CCD采集系統設計
　　系統部署圖如圖1所示。系統硬件分為接口板、通用驅動采集板、計算機。接口板匹配驅動信號，將CCD輸出視頻信號通過前置處理后鏈接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D轉換器對視頻信號進行模數轉換后，按幀暫存在FPGA內的FIFO中，通過USB快速塊傳輸模式上傳到計算機中．最后計算機軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。




　　

　　通用性是由通用CCD驅動模塊和16In8Out異步FIFO實現的。根據不同類型的CCD編制不同的CCD驅動模塊，采用16In8Out異步FIFO，FIFO根據CCD驅動模塊提供的FS幀同步來確定暫存A／D轉換一幀像元數，實現了采集A／D轉換數據與USB傳輸的分離，在修改或升級CCD驅動時，無需修改采集和數據輸出代碼，實現了通用性。
2．1 CCD接口板
　　由于大多數CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同。CCD接口板提供CCD插座和轉接CCD驅動信號以及輸出信號電壓匹配。CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。

2．2 通用驅動采集板
　　通用驅動采集板由A／D轉換、FPGA(通用CCD驅動器模塊和16In8Out異步FIFO模塊)、USB 3部分組成。A／D轉換部分完成系統的A/D轉換；FPGA部分完成系統的CCD驅動、數據采集、CDS實現；USB部分完成數據的傳輸。
2．2．1 A／D轉換部分
　　系統需采集多種CCD并實現CDS，而且系統主要由USB供電，這就要求A／D轉換速度快，供電電壓低，最好參考電壓內置。AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數轉換器系列，采用3 V單電源供電，該系列均內置一個高性能采樣保持放大器(SHA)和基準電壓源。AD923540采用多級差分流水線架構，內置輸出糾錯邏輯，在40 MSP／S數據速率時可提供12位精度，并保證在整個工作溫度范圍內無失碼。
　　FPGA中采集信號發生器提供A／D采集時鐘，同時也控制FIFO和CCD驅動器。A／D采樣速率不再受數據傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配。并可實現1幀內1個像元的雙采樣，從而實現CDS。
2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅動器模塊
　　由于不同生產商的CCD器件的驅動時序往往差別很大，因此需針對每種CCD器件編制其CCD驅動器模塊。驅動時鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號發生器提供，如圖2所示。

?



　　CCD驅動器輸入信號由兩路驅動時鐘和積分時間控制信號INT組成；輸出信號由幀同步信號FS和CCD Driver信號組成。不同的CCD驅動器模塊僅CCD Driver信號有所不同，其他接口一樣。在改變CCD時只需替換CCD驅動器模塊即可。
2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO
　　FIFO用于暫存A／D轉換的信號。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后，將FIFO中的1幀數據通過快速塊傳輸上傳至計算機。1幀的像元個數由CCD驅動模塊提供的FS信號決定。FIFO內的存儲空間為192 Kb。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數據存儲需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內部原理圖。



　圖3中，FS是幀同步，在FIFO中重置暫存指針，DataIN是暫存數據采集完畢信號，DataRdy是判斷USB是否空閑信號，ADclk是FIFO的寫信號，16BitIN是FIFO的讀16位入口，讀取A／D信號，這里兼容16位，本設計只用12位，其他4位空閑。8BitOUT是FIFO的8位輸出口，RD是FIFO的讀出時鐘信號。在FIFO中讀入的16位信號分高低位分別存儲在2個8 bit存儲器中，在輸出時，按先高后低的順序輸出，從而完成16In8Out的轉換，部分實現代碼如下：
?

　　

　　在信號FS的控制下，FIFO不斷地對整幀信號進行刷新，當USB傳輸信號到來時，刷新當前幀完畢后，開始USB快速讀入操作。
2．2．4 USB部分
　　USB采用Cypress公司的AD2131Q，其核提供一種快速傳輸模式．改進8051的外部邏輯與同步／塊端點緩沖器之間的傳輸速度。將FASTXFR寄存器設置為01010000B，讀寫選通時序模式為10，提供更寬的脈沖寬度，便于讀取FPGA的異步FIFO信號。FIFO存儲滿1幀數據，由USB器件使用快速塊傳輸上傳到計算機，約6 ms完成。表1為塊傳輸傳一個像元數據所用匯編程序對比。

?
2．3 軟件設計
　　軟件設計主要包括3方面工作：USB驅動程序設計、動態鏈接庫設計以及應用處理軟件設計。
2．3．1 USB驅動程序設計
　　EZ-USB提供的FPD(通用設備驅動程序)是一個通用的設備驅動程序。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和編譯驅動程序，生成文件ezusb.sys。具體操作如下：①修改驅動程序的PID。在工程里EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不變，PID自行設定。②利用hex2c.exe將USB固件Intel HEX記錄格式的代碼文件轉換為C文件，打開該C文件，用其中的firmware[]數組代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的數組。③編譯生成ezusb.sys文件并編寫相應的INF文件。
2．3．2 動態鏈接庫設計
　　動態鏈接庫主要是通過I／O控制調用來訪問EZ-USBGPD。通過調用CreateFile()來取得訪問設備驅動程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制碼，從而完成USB的控制和輸入／輸出操作。
2．3．3 應用處理軟件設計
　　應用軟件通過訪問動態鏈接庫(DLL)獲取采集譜線數據，其主要功能有顯示、設置積分時間、定格譜線、保存、捕捉、局部放大、添加譜線。

3 測試結果
　　采用通用CCD采集系統分別對3款CCD進行驅動和采集。這3種CCD的參數如表2所示。使用應用軟件EMSpectro采集上述CCD譜線，采集效果如圖4所示。





4 結束語
　　采用該系統對3種不同型號CCD成功驅動并采集，測試結果達到了預期的效果。系統體積小、功耗低、兼容性好、可擴展性高。該系統已成功應用于實驗室開發CCD相關項目中。