一種二相線陣電荷耦合器件的數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

高 翔，林金朝，龐 宇，宋得龍

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶400065)

0 引言

二相線陣電荷耦合元件(CCD)即電荷耦合器件，是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體集成光電器件。它具有體積小、噪聲低、靈敏度高、可靠性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸測量等領(lǐng)域[1］。在高速應(yīng)用時代，傳統(tǒng)的單路CCD已很難滿足高數(shù)據(jù)率的要求，帶有雙路輸出的二相線陣CCD便應(yīng)運(yùn)而生，其數(shù)據(jù)率可達(dá)單路輸出的兩倍。然而，由于輸出信號變成了兩路，導(dǎo)致在對輸出信號進(jìn)行處理上變得更為復(fù)雜。傳統(tǒng)處理方式是將兩路信號分別進(jìn)行處理，然后再將得到的數(shù)據(jù)合并在一起。由于本身處理一路信號就包含了濾波、采樣、放大等多個步驟，要處理兩路信號更是大大增加了處理電路的復(fù)雜度[2-4］。另外，由于數(shù)據(jù)量的巨大，要想正確地將兩路數(shù)據(jù)合并在一起也往往并不那么簡單。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用雙路輸出CCD，并通過專門的數(shù)據(jù)處理器對其雙路信號進(jìn)行處理，達(dá)到了電路簡單，性能可靠，實(shí)現(xiàn)方便的效果。

1 設(shè)計(jì)方案

采用TOSHIBA公司的TCD1703C型二相線陣CCD做模擬數(shù)據(jù)采集，并用Analog Devices公司的AD9826型信號處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)對待測物的數(shù)據(jù)采集。TCD1703C具有7 500有效像元，其像元尺寸為7 μm×7 μm×7 μm，像元區(qū)總長52.5 mm，響應(yīng)度為15 V/(lx·s)，驅(qū)動頻率最大可達(dá)到20 MHz。AD9826是一款專門面向CCD的低功耗多通道信號處理器，其雙通道模式尤其適合處理奇偶雙路輸出的CCD信號。它內(nèi)含最高30 MSPS的相關(guān)雙采樣器(CDS)、補(bǔ)償DAC、1～6倍可編程增益放大器(PGA)、16位精度ADC，可以極大地簡化信號處理電路的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對CCD和信號處理器的驅(qū)動時序的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)驅(qū)動時序有很多方法，包括數(shù)字邏輯電路、單片機(jī)、專用IC以及現(xiàn)場可編輯門陣列(FPGA)等。但數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，用到大量計(jì)數(shù)器、門電路，時序難以配合，電路不穩(wěn)定，抗干擾能力差，制作修改比較麻煩，體積占用也很大[5］。由于現(xiàn)在CCD驅(qū)動對頻率要求越來越高，大多數(shù)單片機(jī)的頻率都難以達(dá)到要求。雖然專用IC功耗低，集成度高，可靠性也好，而且產(chǎn)生的驅(qū)動時序也非常好，但價格過于高昂，靈活性也不好。所以，功耗小、成本低、易調(diào)試且穩(wěn)定性好的FPGA成為驅(qū)動時序設(shè)計(jì)的最佳選擇。這里采用Altera的EP2C8Q208型FPGA，其價格適中，具有8 256個邏輯單元，138個I/O管腳，可外接超過50 MHz晶振，資源足以應(yīng)對本系統(tǒng)的要求。針對FPGA的I/O口輸出電平為3.3 V，而大多數(shù)器件對控制驅(qū)動往往要求5 V電平的問題，可在后續(xù)模塊前端外接CMOS器件予以解決。

系統(tǒng)采用Top-down多層次結(jié)構(gòu)電路的設(shè)計(jì)方法[6］，利用圖形和文本混合進(jìn)行設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)分為分頻器、CCD驅(qū)動時序和信號處理控制時序3個模塊，整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。其中，預(yù)處理電路包括差分電路和跟隨電路。差分電路通過一個差分放大器抑制掉輸出信號中的5 V直流分量，跟隨電路可以提高信號的負(fù)載能力，使信號更穩(wěn)定。

圖1 整體設(shè)計(jì)框圖

2 CCD驅(qū)動時序

TCD1703C的驅(qū)動由5路脈沖構(gòu)成:SH、Q1、Q2、RS、CP。其中，轉(zhuǎn)移脈沖SH將CCD存儲柵中光積分所產(chǎn)生的光生電荷，并行地分別轉(zhuǎn)移到光敏區(qū)兩側(cè)的模擬移位寄存器的電荷勢阱Q1和Q2中。當(dāng)SH脈沖結(jié)束時，SH為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離。存儲柵和模擬移位寄存器分別工作。存儲柵進(jìn)行光積分，模擬移位寄存器在驅(qū)動脈沖的作用下串行地向輸出端轉(zhuǎn)移信號電荷，最后由奇數(shù)輸出端OS1和偶數(shù)輸出端OS2分別輸出，得到OS1信號和OS2信號。RS為復(fù)位級的復(fù)位脈沖，每復(fù)位一次輸出一個信號。CP是鉗位脈沖，用于鉗制輸出信號電平[7］。

由TCD1703C的數(shù)據(jù)手冊可以看到:其典型最佳工作頻率為1 MHz，5路脈沖的時序如圖2所示。由于該器件是兩列并行輸出，所以在一個SH周期中至少要有7 500/2個Q1脈沖，即TSH＞3 750TQ1，而加上前后啞元數(shù)后，TSH應(yīng)至少有3 822個Q1脈沖。另外，SH為高電平的時間應(yīng)大于1 000 ns，1 MHz時鐘下的典型值為1 500 ns，RS和CP為高電平的持續(xù)時間典型值為100 ns。

圖2 TCD1703C驅(qū)動脈沖波形圖

由此，F(xiàn)PGA可選用48 MHz的外部晶振，經(jīng)六分頻后得到工作時鐘CLK=8 MHz，在CLK的上升沿(即每隔125 ns)每觸發(fā)一次狀態(tài)機(jī)，由計(jì)數(shù)器控制時間狀態(tài)轉(zhuǎn)換。當(dāng)滿足3 822 μs后，CCD掃描完一行，這時SH置高進(jìn)入轉(zhuǎn)移狀態(tài)，[Q1，Q2，RS，CP］保持1000狀態(tài)不變。當(dāng)1 500 ns后SH置低進(jìn)入隔離狀態(tài)，[Q1，Q2，RS，CP］開始輸出狀態(tài)序列[8-10］。狀態(tài)圖如圖3所示。

圖3 TCD1703C驅(qū)動時序狀態(tài)圖

3 AD9826控制時序

AD9826是可編程的信號處理器，內(nèi)含的相關(guān)雙采樣器有兩種采樣模式:CDS和SHA。CDS模式即對待采樣信號的參考電平和數(shù)據(jù)電平分別采樣的差分輸出，因前端已通過差分電路將TCD1703C的參考電平鉗制在0 V，故可直接將參考電平采樣時序輸入端接地，從而只需進(jìn)行數(shù)據(jù)電平采樣，即SHA模式。AD9826工作原理如圖4所示。

其內(nèi)含的相關(guān)雙采樣器、增益放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的具體功能設(shè)置，都是通過編程串口配置其內(nèi)部對應(yīng)的各相關(guān)寄存器來實(shí)現(xiàn)的。其中，配置寄存器用來設(shè)置AD9826的操作模式和偏置電平;多路復(fù)用配置寄存器控制抽樣通道的相關(guān)命令和雙通道配置;放大電路增益寄存器有3個，分別設(shè)置3個輸入通道的PGA的放大倍數(shù);補(bǔ)償寄存器也有3個，分別設(shè)置3個通道的補(bǔ)償電壓。這里只需要配置前兩種寄存器即可[11］，具體配置見表1，可通過配置使AD9826工作在16 bit雙通道SHA模式。其中，因CCD輸出信號高低電壓差最大為4 V，故將AD9826的輸入范圍設(shè)置為4 V。

AD9826先在數(shù)據(jù)電平采樣時鐘CDSCLK2的下降沿分別對兩個通道的輸入信號進(jìn)行采樣，并將采得的數(shù)據(jù)依次經(jīng)過DAC和PGA處理，然后送入16 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器在ADC采樣時鐘ADCCLK的下降沿對其進(jìn)行采樣，由于AD9826的輸出只有8位數(shù)據(jù)線，所以將16 bit信號分成高低兩個8 bit信號分時輸出，如圖4所示。

圖4 AD9826原理圖

表1 相關(guān)寄存器配置參數(shù)

雙通道SHA模式的采樣時序如圖5所示。由圖5可以看出:AD9826的輸出數(shù)據(jù)相對采樣點(diǎn)有3個ADCCLK周期的時間延遲。在設(shè)計(jì)驅(qū)動時序時應(yīng)當(dāng)注意，CDSCLK2的頻率應(yīng)與輸入信號相同，而ADCCLK的頻率是輸入信號的兩倍。由于CCD輸出信號頻率為1 MHz，故fCDSCLK2=1 MHz，fADCCLK=2 MHz。另外，由數(shù)據(jù)手冊[6］可知:CDSCLK2高電平持續(xù)時間應(yīng)大于8 ns，ADCCLK2的下降沿不能位于ADCCLK前一個下降沿之前。

圖5 AD9826的雙通道SHA模式控制時序圖

通過上述分析，該控制時序同樣可由狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

由TCD1703C輸出特性可知:兩路輸出信號中的有效分量是在Q2下降沿后10 ns輸出，由此便可確定AD9826控制時序與TCD1703C驅(qū)動時序間的相位關(guān)系。另外，由于TCD1703C正常工作時前后各有64和8個啞元信號，而這72個啞元信號是不需要采樣的。所以，可以在AD9826開始工作時，先用計(jì)數(shù)器對前64個啞元信號計(jì)數(shù)，等64個信號全部移出后啟動采樣時鐘，并在采滿3 750個點(diǎn)后中斷采樣時鐘，等待下一個采樣周期的到來。

圖6 AD9826控制時序狀態(tài)圖

需要注意的是:由于TCD1703C的輸出信號含有5 V的直流分量，不能滿足AD9826最大4 V的輸入范圍，所以應(yīng)當(dāng)在CCD信號輸出后先通過差分電路抑制掉該直流分量，以確保信號處理器的輸入信號為0～4 V。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 仿真波形

AD9826配置時序如圖7所示，其中，CLK_8為48 MHz外部晶振經(jīng)分頻器分頻得到的8 MHz工作時鐘，SDATA為數(shù)據(jù)I/O口，SCLK為配置時鐘，SLOAD為負(fù)載脈沖。

圖7 AD9826配置時序

整體控制時序如圖8所示，其中，SH、Q1、Q2、RS、CP為 TCD1703C的驅(qū)動時鐘，CDSCLK2、ADCCLK為AD9826的采樣控制時序。

圖8 整體控制時序

4.2 試驗(yàn)波形

由示波器可觀察到TCD1703C的雙路輸出波形，如圖9所示。

圖9 CCD輸出信號波形

由于AD9826通過8位并行口高速輸出數(shù)據(jù)，用示波器難以觀察，可通過輸出口分別對地外接發(fā)光二極管(亮為1，滅為0)進(jìn)行粗略觀察。因設(shè)置的信號輸入范圍為0～4 V，故當(dāng)輸入電壓接近0 V時，發(fā)光二極管為00000000，此數(shù)將隨電壓增大而不斷增加;當(dāng)輸入電壓為4 V時，輸出為11111111。因此，接入圖9所示CCD波形采樣后，全暗為00000000，隨著光照強(qiáng)度的增大而增加，直到全亮11111111。正常工作后可通過后續(xù)電路傳輸至計(jì)算機(jī)進(jìn)行詳細(xì)數(shù)值分析，這里不再贅述。

5 結(jié)論

本文結(jié)合二相線陣CCD輸出信號的特點(diǎn)及其后續(xù)處理電路復(fù)雜的現(xiàn)狀，提出了一種通過專門集成的數(shù)據(jù)處理器對其雙路信號進(jìn)行高速處理的方法。該方法簡化了信號處理電路的設(shè)計(jì)，解決了高速二相線陣輸出信號處理復(fù)雜的問題，具有較高的應(yīng)用價值。經(jīng)在實(shí)際電路中驗(yàn)證，電路結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定可靠，處理結(jié)果可以滿足應(yīng)用要求。

[1]王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M］.北京:電子工業(yè)出版社，2003.

[2]魏常偉，袁縱橫，張文濤，等.基于FPGA的新型告訴CCD圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J］.測控技術(shù)與儀器儀表，2010(4):77-80.

[3]胡勝，楊雷，宋躍，等.基于ARM ＆FPGA的CCD圖像識別裝置[J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012(1):54-56.

[4]陳飛明，曹萬民，韓蘇雷，等.用二相雙列線陣CCD器件實(shí)時采集衍射圖樣[J］.洛陽工學(xué)院學(xué)報，2001，22(3):83-86.

[5]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M］.北京:高等教育出版社，2006.

[6]王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與Verilog HDL[M］.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[7]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M］.天津:天津大學(xué)出版社，2000.

[8]魏冬冬，王大勇，李彩霞.CCD時序驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)[J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(9):112-114.

[9]商小川，周輝，張星祥，等.基于FPGA的大面陣CCD高幀頻驅(qū)動電路設(shè)計(jì)[J］.液晶與顯示，2009，24(5):735-739.

[10]付天舒，趙春暉.基于Verilog的線陣CCD驅(qū)動時序設(shè)計(jì)[J］.光學(xué)技術(shù)，2010，36(5):740-743.

[11]張殿富，趙源.基于FPGA的線陣CCD驅(qū)動時序及模擬信號處理的設(shè)計(jì)[J］.國外電子元器件，2009，17(1):41-43.