一种高速线阵CCD图像数据采集系统

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1、第26卷第8期增刊仪器仪表学报2005年8月一种高速线阵CCD图像数据采集系统李明伟黄鸽刘赭茹 (大连理工大学电信学院大连1】6023)摘要 介绍了一种可用于小賴粒物质色选的高速线阵CCD图像数据采集系统.文中介绍了 CCD传感器元件RL1024P的驱 动设计方法和采用图像数字转换器XRD98L59对CCD输出倍号进行高速A/D转换的设计方法设计全部采用Verilog语言 进行硬件描述，并利用ISE 42软件对所设计的各部分电路进行仿真，最后对FPGA器件进行了编程和硬件的电路调试，实 现了 CCD图像数据采集系统该系统的设计新颖实用，技术指标达到设计要求它以其优异的性能已成功的应用于色选系统

2、 中并且得到了比较理想的数字图像数据。关词 线阵电荷耦合器件 图像数据采集 现场可编程门阵列Image Data Acquisition System in High-speed Linear CCDLi Mingwei Huang Ge Liu Jingru(Dept, of Electronic Engineering Dalian University of Technology % Dalian 116023, China)Abstract A high-speed linear CCD image data acquisition system was designed for co

3、lor selecting of tiny parti- cle Two techniques were discussed about driving the CCD camera-RL 1024P and high-speed A/D conversion on CCD output signal by using image digitizer XRD98L59 The hardware description was totally realized by using Verilog language Using ISE 4 2 software had completed this

4、simulation of every circuit After programming anFPGA(Field programming gate array)转换与信号读岀.RL1024P能够满足高灵敏光学传 感，高分辨率空间采样和高速信号读出的要求，该系统 设计的CCDX作速度为10MHz,输出的视频信号经 过相关双采样的XRD98L59图像数字转换器，进行高 速的A/D转换.将模拟信号实肘地转换成数字信号.FPGA chip and debugging the hardware circuits t the CCD image data acquisition system was

5、realized. The design is novel and practical * and the main technical specifications have been attained. Due to its excellent properties f the system has been successfully used in color selector system to gain an ideal digital imageKey words Linear CCD Image data acquisition1引 SCCD传感器具有高精度、高分辨率、性能稳定、

6、功 耗低、寿命长以及具有自扫描功能等恃点，在自动精密 测量等方面得到广泛应用文中以CCD技术结合JL丄| CCD5?动硏数字转換|序发生髀|器姿动时 序发生281t-| RL1024P 卜-XRD98L59XCS40X1,图1系统构成矗图RL1024P是PerkinElmer公司生产的P系列二相 线阵1024象元摄像器件，每个光敏单的尺寸为14pm 长。它需要6路驱动信号，即复位信号转移信号，两相FPGA技术，设计出了用于粒子流中个别粒子识别的 高速数据采集系统。2系统工作原理和主要硬件组成系统硬件结构如图1所示.CCD图像传感器既具有高灵敏的光电转换功能, 又具有光电信号的存储和快速读出功能

7、，它通过一组 时序脉冲驱动控制，可以实现对目标图像的实时光电720仪器仪表学报第26卷Notel Note2n时钟信号，光电信号，电子礙光控制信号XRD98L59是Exar公司生产的图像数字转换器, 它是CCD视频信号处理ASIC,包括相关双采样 (CDS),可编程增益放大(PGA),可控制偏移校正等强 大功能其内部集成了 lObit分辨率.20MSPS的 ADC.XCS40XL是Xilinx公司生产的SpartanXL系列 的FPGA,它具有4万个系统门，包括逻辑门和片内 RAM。系统时钟可达80MHzo3系统总体设计在该设计中，系统的所有驱动和控制倍号都是在 ISE 4.2开发环境下设计完

8、成并经编译、校验后下载 到FPGA器件内部的.其中主要包括线阵CCD驱动 控制和XRD98L59 A/D转换控制和数据的读取。31RL1024P CCD驱动电路设计CCD驱动电路必须满足各路脉冲间的时序关系, 如图2所示。图2线阵CCD RL021P的时序波形Skc是使输出扩展二极管复位的复位管控制脉冲 信号，复位一次输出一个信号，脉冲占空比为1 : 3,频 率为2. 5MHz,它由系统时钟10MHz四分频后逻辑运 算所得。两相时钟信号Sm和的频率应为Srg的1/2 即1.25MHz,同时为了避免MOS电容中的信号电荷 包向上下两列模拟移位奇存器的电极转移不完全的悄 况，要求Sh,和弘?在并行

9、转移时有一个大于转移信号 Sg持续时间的宽脉冲，所以在考虑设计驱动信号Shi 和So时应设计两部分，一是根据系统时钟8分频产生 1.25MHz的方波电路，二是形成所需要的宽脉冲，如 图2的时序波形所示.转移信号Src是使MOS电容中 的信号电荷转移到移位寄存器中的转移栅控制信号, 周期大于526X0. 8戶,=1的时间应小于Shi的宽 脉冲。一旦转移信号置高电平，光电信号弘以高电 平来实现电荷转移的时间应小于=1的时 间宽度。电子曝光控制信号是使电荷从象元存储门 向曝光控制沟道排出的控制涪号，当Sab=1时，电荷 排出.在光电二极管中正常电荷包收集时,Sz置低电 平。该电路设计的仿真被形如图3

10、所示.3如” I irn liuiiuuiLUki 1 lum;： huuii.uuuaiui：iiihi!iiuui：ii :,W.*Mp-lrju:nnnnfuui：ij fir t.-n -:TL .I . 1 i 图3 RL1024P的驰动电路仿典图3.2 XRD98L59图律数字转換器控制电路设计CCD传感器输出的图像信号噪声中以CCD输出 结构产生的复位噪声为主，相关双采样法倍号处理电 路对抑制复位噪声有强大优势。在对XRD98L59驱动中，应对亚象元OB定标来 实现校正电路对倍号偏移的调整在进入定标时，需要 用CAL和CLAMP信号来定义用于定标的亚象元数 目和位置，同时对每行图

11、像确定行头和行尾.CAL和 CLAMP是两个行时钟控制信号，它有两种操作模式: CAL8-.CLAMP模式和CAL ONLY模式。在该设计 中，采用CAL&.CLAMP模式。在此模式中用CAL定 义行尾OB pixel,用于时电平定标,CLAMP定义行头 的 OB pixel.图4是XRD98L59控制时序仿真图，图中YR为 CCD的复位信号，pH为CCD的两相驱动时钟佶号中 的一相.SBLK.SPIX是外部控制脉冲，它们经过内部 时钟网络产生的内部电子开关控制脉冲，分別控制采 样保持器对象元参考电平和视频电平进行的采样和保 持工作。3砂 I . ； I!.图4 XRD98L59控制时片:仿丸

12、图4结束语设计的用于色选系统的线阵CCD图像数据实时 采集系统在FPGA技术的支持下实现了高速度和髙 精度，文中给出的设计仿真结果和真实系统的工作状 况基本一致。在系统调试过程中，仔细调节各参数指 标，可以减小系统噪声及干扰.(下转第720页) 水平垂直运算整合的方式，同样通过“群组像索”的搭 配。X3也可以达到趙高ISO值(必须消滅分辨率)，高 速VGA录画速率。比超级CCD更强悍的在于X3每 一个Pixel(像索)都可以感应三个色彩值，在理论上来 说,X3的动画拍摄在相同速度条件下，可能比Super CCD III还来得更精致。为了应对激烈的市场竞争和由以CMOS为代表 的其他光敏器件的快

13、速发展，其他的CCD厂商也纷纷 加快步伐进行新技术开发。因篇福有限，在此不再详 述。.3 CCD的发展趋势(1) 像面尺寸向集成化、轻址化方向发展由于光刻机的进步.在仍保持具有很高灵敏度的 特性下,8D传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4 英寸、1/5英寸的方向发展.(2) 向高像素数、多制式发展各种CCD传感器的像面尺寸在滅少，但其像索数 在增加，甚至出现超过百万像索的CCD传感器。为提 高水平和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描 向逐行扫描格式发展。(3) 降低CCD传感器的工作电压、滅少功耗初期研制的CCD摄像机有+ 24V、+ 22V、+ 17V 和+ 5V等，目前通用的为

14、+ 12V.为配合PC摄像机和 网络图像传输的应用，逐步以+ 12V和+ 5V为主.(4) 提高CCD摄像机的制造效率为了降低CCD摄像机的制造成本，实现高速自动 化生产，制造厂家追求紧密性结构，致力于CCD摄像 机的小型化.到目前为止，巳实现多层板的MultiChip Module(MCM)多芯片集成模组化制造技术。(5) CCD摄像机的数字化在制造CCD摄像机时，从以往的Analog模拟系 统逐步实现DSP数位化处理，可以借助电子计算机电 专门软件系统实现对CCD摄像机，待别是对彩色 CCD摄像机的各种参数的量化调整，可以确保CCD 摄像机性能指标的优化一致性以及在待殊使用条件下 的参数畝

15、化修改.4结束语f目前CCD器件虽於在研究论文发表方面数扯在 逐渐滅少,但在生产置上却不断增加。回顾CCD的前 期发展历史，除了着意提高像素外，在技术开发层面上 并没有太大突破.但是，进入2000年后.CCD技术的 发展一下子加快起来，新型结构的CCD不断进入市 场.CCD的缺点也在改善，例如，低耗电、多功能化、低 价格化和多层感色尊。CCD器件并没有退出市场在 数码相机和摄像机市场中，仍为主要的成像器件。參考文献1友清科学CCD的过去、现状和未来.激光与光电子学进 展,1995(10).2 Sheffer D. Random adcressable 2048 X 2048 active pi

16、xel image sensor J IEEE Trans Electron Devices 1997 44(10):171617203 Lrppino G. A.Design of an 8192X8192 pixel CCD mosaic. Proc. SPIE, 1994 2198：810.4 Norbert Schuster. Geomentrical noise bandwidth：a new tool to characterize the resolving power of analogue and digital imaging devices. Proc. SPIE* 20

17、02 4669： 336.5 Tetsuro Ashida Signal processing and automatic camera control for digital still cameras equipped with a new type CCD. Proc. SPIE. 2004, 5301 ：42.Paul M Hubei. Spatial frequency response of color image sensors: Bayer color filters and Foveon X3 Proc SPIE, 2004, 5301,402.720仪器仪表学报第26卷720仪器仪表学报第26卷(上接第717页)参考文献1蔡文贵，李永远，许振华CCD技术及应用北京：电子工业出版社,1992.2夏宇W. Verilog数字系统设计教程北京：北京航天航空 大学出版社，2003. 7.一种高速线阵CC图像数据采集系统戸庁薮掘作者：李明伟，黄鸽，刘静茹作者单位：大连理工大学电信学院大连,116023本文链接：