線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

廖　飛,龔恒翔,b,梁　霄，韋清臣，尹斌軍，王　燦

(1.重慶理工大學(xué)　a.光電信息學(xué)院； b.光伏新能源應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備研究所,重慶　400054)

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線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用

廖飛a,龔恒翔a,b,梁霄a，韋清臣a，尹斌軍a，王燦a

(1.重慶理工大學(xué)a.光電信息學(xué)院； b.光伏新能源應(yīng)用技術(shù)與設(shè)備研究所,重慶400054)

摘要：為解決定制型線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路可復(fù)用和可移植問(wèn)題，在分析TCD1700系列線陣CCD器件工作原理、時(shí)序參數(shù)相關(guān)性和異同點(diǎn)基礎(chǔ)上，對(duì)線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路進(jìn)行集成化、IP核化設(shè)計(jì)，給出了設(shè)計(jì)邏輯、接口及寄存器定義，使用verilog語(yǔ)言，利用quartusII和modelsim平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)建模和仿真測(cè)試。最后在cycloneIV器件平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，并將設(shè)計(jì)的電路用于盛液管和液位界面檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：前端處理電路對(duì)液位及盛液管特征信息提取準(zhǔn)確，電路噪聲抑制效果良好，可復(fù)用。

關(guān)鍵詞：線陣相機(jī);模擬前端;驅(qū)動(dòng)處理電路;IP核;

線陣相機(jī)作為一種精密光電檢測(cè)及傳感設(shè)備，在科學(xué)研究、精密工業(yè)制造、交通安全檢測(cè)、通用機(jī)器視覺(jué)、建筑測(cè)量、航空航天攝像及測(cè)量、新能源光伏檢測(cè)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用[1,2-5]。當(dāng)前，線陣相機(jī)以3種形式存在于工程應(yīng)用中：通用型的工業(yè)用線陣相機(jī)[2,4]、提供二次開(kāi)發(fā)能力的線陣相機(jī)[5-6]、自主設(shè)計(jì)定制型線陣相機(jī)[3]。這3種線陣相機(jī)各有特點(diǎn)。通用型線陣相機(jī)有良好的性能和穩(wěn)定性，因其集成度高、成本較高，故在特殊應(yīng)用和成本敏感的應(yīng)用中較難發(fā)揮優(yōu)勢(shì)；可二次開(kāi)發(fā)的線陣相機(jī)軟件擴(kuò)展性好；定制型線陣相機(jī)針對(duì)問(wèn)題單一、安裝設(shè)計(jì)靈活，可集成硬件加速算法，在處理低照度、表面特征復(fù)雜、工作條件頻繁變化的問(wèn)題時(shí)，有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因此，近年來(lái)眾多研究者對(duì)定制型線陣相機(jī)展開(kāi)研究設(shè)計(jì)，尤其是在驅(qū)動(dòng)方法、可調(diào)參數(shù)配置、曝光控制、信號(hào)處理、噪聲去除、標(biāo)定方法等方面做了廣泛研究，推動(dòng)了定制型線陣相機(jī)技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用和發(fā)展。

本文針對(duì)定制型線陣相機(jī)的驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理展開(kāi)研究。驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理決定著線陣相機(jī)是否工作和工作性能。近年來(lái)，研究者們對(duì)如何驅(qū)動(dòng)、噪聲去除及抑制、信號(hào)處理、應(yīng)用系統(tǒng)等方面做了較多研究，但對(duì)驅(qū)動(dòng)的可重用性設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法的硬化關(guān)注較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出一種重用性好、集成度高的線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理IP核邏輯電路設(shè)計(jì)方法，能較好地克服不同應(yīng)用中的重復(fù)開(kāi)發(fā)工作，為定制型線陣相機(jī)的開(kāi)發(fā)提供了一種高效、重用性好的解決方案。

1設(shè)計(jì)原理分析

1.1TCD1700系列器件差異性及共同點(diǎn)分析

線陣相機(jī)多基于線陣CCD、COMS圖像傳感芯片設(shè)計(jì)，其基本工作原理是單行或多行的光電二極管線性陣列感光，在驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理電路作用下獲得感光圖像數(shù)據(jù)。因生產(chǎn)廠家、器件中光電二極管陣列規(guī)模、行輸出速率、電信號(hào)輸出電路數(shù)量等不同，各型號(hào)的具體時(shí)序參數(shù)相應(yīng)有差異，設(shè)計(jì)兼容多家廠商和多種型號(hào)的線陣相機(jī)驅(qū)動(dòng)和信號(hào)處理電路較為困難。本文針對(duì)TOSIHBA公司的TCD1700系列展開(kāi)設(shè)計(jì)分析，最終在TCD1709D型CCD上實(shí)現(xiàn)。

TCD1700系列線陣CCD[7]是典型的雙溝道線陣CCD，在器件單元組成、溝道結(jié)構(gòu)、電極結(jié)構(gòu)、勢(shì)阱結(jié)構(gòu)、輸出電路上具有較多相同點(diǎn)。查閱該系列器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)及特征參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，該系列器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)個(gè)數(shù)、時(shí)序信號(hào)類型、時(shí)序圖形和驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系具有極大的相似性。如圖1所示，該系列均具有兩相驅(qū)動(dòng)時(shí)序，每相時(shí)序包含1～3個(gè)相同的時(shí)序信號(hào)。此外，該系列均具有相似的幀轉(zhuǎn)移信號(hào)、輸出寄存器殘余電荷清除信號(hào)、輸出轉(zhuǎn)換測(cè)量電路復(fù)位信號(hào)。主要區(qū)別在于像素個(gè)數(shù)、像素大小、輸出端口、工作頻率等幾個(gè)方面，具體見(jiàn)表1。

表1　TCD1700系列線陣CCD主要參數(shù)對(duì)比

1.2驅(qū)動(dòng)及處理時(shí)序參數(shù)相關(guān)性分析

TCD1700系列器件的基本工作過(guò)程包含兩個(gè)階段，光敏單元信號(hào)積分階段和電信號(hào)轉(zhuǎn)移輸出階段。積分階段完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換及電信號(hào)的累積兩個(gè)過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)時(shí)序受積分時(shí)間、工作頻率、輸出像素、輸出端口數(shù)量等影響；電信號(hào)轉(zhuǎn)移輸出階段的時(shí)序受工作頻率、輸出像素、輸出端口數(shù)量影響。綜合考慮兩個(gè)基本工作過(guò)程，產(chǎn)生復(fù)用性好的驅(qū)動(dòng)信號(hào)必須包含的共用參數(shù)應(yīng)包含積分時(shí)間、工作頻率、每工作周期輸出像素個(gè)數(shù)、輸出端口數(shù)等多個(gè)參數(shù)。

圖1　TCD1700系列器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序

TCD1700的輸出信號(hào)為模擬制式信號(hào)。為更好地濾除器件的KTC復(fù)位噪聲、輸出電阻熱噪聲等的影響，完成應(yīng)用需求對(duì)光電圖像信號(hào)的處理時(shí)，一般需首先完成相關(guān)雙采樣(CDS)和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后交由線陣相機(jī)后續(xù)處理部分完成最終處理，因此還需提供處理時(shí)序參數(shù)和時(shí)序同步參數(shù)。對(duì)于相關(guān)雙采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換，有單芯片和多芯片兩種處理方式。近年來(lái)，TI、ADI等廠商對(duì)線陣相機(jī)和面陣相機(jī)所用相關(guān)雙采樣及模數(shù)轉(zhuǎn)換做了較多研究，相繼推出了多種單芯片ASIC方案。然而，單芯片ASIC并不能根據(jù)輸入模擬信號(hào)自適應(yīng)完成采樣及量化工作，需在同步時(shí)序和采樣位置信號(hào)控制下完成。因此，考慮到后處理過(guò)程的相關(guān)性，共用參數(shù)還應(yīng)包括同步參數(shù)、采樣控制參數(shù)等處理時(shí)序參數(shù)。

線陣相機(jī)的CCD器件驅(qū)動(dòng)時(shí)序、輸出時(shí)序及后處理時(shí)序是線陣相機(jī)信號(hào)傳感、采集、處理的3個(gè)必須階段，并且這3個(gè)階段既相互獨(dú)立，又相互聯(lián)系，有既定的順序和時(shí)序，這就需要再次考慮驅(qū)動(dòng)時(shí)序參數(shù)和處理時(shí)序參數(shù)間的同步關(guān)系。在具體設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)處理IP核時(shí)，可考慮在IP核內(nèi)部引入3階段共用的同步信號(hào)來(lái)輔助建立驅(qū)動(dòng)參數(shù)和處理參數(shù)間的聯(lián)系。

1.3驅(qū)動(dòng)及處理IP核設(shè)計(jì)

CCD相機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要使用4類驅(qū)動(dòng)方式，分別是分離器件驅(qū)動(dòng)、專用時(shí)序驅(qū)動(dòng)芯片(ASIC)驅(qū)動(dòng)、可編程器件(CPLD)驅(qū)動(dòng)和現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)驅(qū)動(dòng)[8-9]。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展[10-13]，目前分離器件驅(qū)動(dòng)方式因邏輯復(fù)雜、同步困難，已很少采用；專用驅(qū)動(dòng)芯片在面陣相機(jī)中使用較多；基于CPLD和FPGA設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路因升級(jí)修改靈活、可移植性好，在定制型線陣相機(jī)中較多采用。另外，F(xiàn)PGA器件可將驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)處理算法電路、系統(tǒng)軟件集成在單片器件中，能有效減少線陣相機(jī)電路規(guī)模。

將線陣相機(jī)的驅(qū)動(dòng)處理電路以IP核(知識(shí)產(chǎn)權(quán)核)的方式設(shè)計(jì)。將需要配置的驅(qū)動(dòng)時(shí)序參數(shù)、處理時(shí)序參數(shù)加以提煉，最終以多個(gè)寄存器的方式定義。在設(shè)計(jì)定制型線陣相機(jī)時(shí)，可通過(guò)片內(nèi)總線訪問(wèn)這些已定義的寄存器，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)處理電路的復(fù)用。

2邏輯電路實(shí)現(xiàn)

2.1IP核邏輯結(jié)構(gòu)及接口定義

IP核的邏輯結(jié)構(gòu)及接口定義如圖2所示，包含驅(qū)動(dòng)采集時(shí)序驅(qū)動(dòng)邏輯、外部驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口、總線接口、中斷邏輯、外部數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等5部分。時(shí)序驅(qū)動(dòng)邏輯用于產(chǎn)生CCD器件和外部模數(shù)采樣器件所需驅(qū)動(dòng)時(shí)序參數(shù)，為統(tǒng)一外部模數(shù)采樣驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)處理，本文選擇了ADI公司的AD994X系列器件；外部接口和總線接口如表2、3定義所述，用于上層總線互聯(lián)和外部邏輯驅(qū)動(dòng)，F(xiàn)PGA內(nèi)的總線接口多用AHBA和Avalon兩種。考慮到后續(xù)平臺(tái)使用NOIS-ii內(nèi)核，本文采用Avalon總線實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。中斷邏輯有利于SOPC系統(tǒng)中對(duì)本文設(shè)計(jì)IP模塊的工作響應(yīng)和調(diào)用。外部數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)部分涉及模數(shù)采樣器件輸入平行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路的重要部分。

圖2　IP核整體結(jié)構(gòu)

信號(hào)位寬說(shuō)明Clkm1模塊接口時(shí)鐘及功能時(shí)鐘rst_n1模塊復(fù)位信號(hào),低有效address3寄存器地址write1總線接口寫(xiě)使能,高有效writedata32寫(xiě)數(shù)據(jù)read1讀使能,高有效readdata32模塊總線接口輸出數(shù)據(jù)irq_ccd1模塊中斷

表3　外部接口信號(hào)定義

2.2IP核寄存器及關(guān)鍵信號(hào)定義

寄存器和關(guān)鍵信號(hào)是本文IP核設(shè)計(jì)的重要組成部分。寄存器供用戶訪問(wèn)配置，可供用戶根據(jù)當(dāng)前情況調(diào)整驅(qū)動(dòng)時(shí)序參數(shù)及控制采樣參數(shù)等操作。本文設(shè)計(jì)的IP核提供了CCD驅(qū)動(dòng)配置寄存器、AFE采樣控制配置寄存器、像素個(gè)數(shù)配置寄存器、模塊控制寄存器、狀態(tài)寄存器、CCD數(shù)據(jù)寄存器等6個(gè)寄存器。圖3描述了IP核內(nèi)部邏輯及寄存器參數(shù)間的關(guān)系，同時(shí)給出了部分關(guān)鍵信號(hào)。

圖3　IP內(nèi)部邏輯及寄存器關(guān)系

像素個(gè)數(shù)配置寄存器控制輸出時(shí)序的產(chǎn)生，對(duì)IP的工作機(jī)制有全局影響。本文設(shè)計(jì)的IP使用像素計(jì)數(shù)器產(chǎn)生內(nèi)核狀態(tài)機(jī)，從而全局控制時(shí)序的產(chǎn)生及處理邏輯的同步。在像素個(gè)數(shù)確定后，設(shè)置CCD驅(qū)動(dòng)配置寄存器可控制積分時(shí)間及輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)序的頻率。AFE驅(qū)動(dòng)配置寄存器根據(jù)前述兩個(gè)寄存器的參數(shù)，同步產(chǎn)生AFE驅(qū)動(dòng)時(shí)序，并生成相關(guān)雙采樣脈沖。

為保證CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和AFE驅(qū)動(dòng)時(shí)序的同步，設(shè)置了多個(gè)關(guān)鍵的同步信號(hào)。為統(tǒng)一管理每幀輸出的多個(gè)啞元信號(hào)和遮蔽信號(hào)，設(shè)置samplestart信號(hào)，用于CCD時(shí)序驅(qū)動(dòng)邏輯和AFE驅(qū)動(dòng)時(shí)序邏輯的同步。AFE器件內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是pipeline結(jié)構(gòu)，有多達(dá)10個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)鐘的延遲，因此，需在AFE驅(qū)動(dòng)時(shí)序和數(shù)據(jù)處理邏輯模塊間設(shè)置同步時(shí)鐘Dataclk_sys。

2.3多通道數(shù)據(jù)輸入的同步

依據(jù)線陣相機(jī)使用CCD器件情況，數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)邏輯的通道個(gè)數(shù)會(huì)有個(gè)數(shù)差異。因此，為保證處理速度，在設(shè)計(jì)時(shí)引入了多通道FIFO結(jié)構(gòu)(如圖3)，并在數(shù)據(jù)處理邏輯處設(shè)置通道選擇多路器，可主動(dòng)選擇切換使用單通道數(shù)據(jù)處理還是多通道數(shù)據(jù)處理。在相應(yīng)的片選使能信號(hào)CS0.1.2.3信號(hào)控制下，將相應(yīng)通道的輸入數(shù)據(jù)按設(shè)定的時(shí)序存儲(chǔ)到FIFO1到FIFO4中。

2.4電路IP核邏輯實(shí)現(xiàn)

本文采用verilogHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯電路設(shè)計(jì)，以QuartusII和Modelsim為開(kāi)發(fā)工具，使用有限狀態(tài)機(jī)建模方法，對(duì)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理IP核進(jìn)行設(shè)計(jì)、綜合和仿真驗(yàn)證。圖4是modelsim仿真波形圖。

圖4　IP核仿真波形

3應(yīng)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件

為驗(yàn)證線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)電路的功能和性能，將設(shè)計(jì)的IP加入線陣相機(jī)處理系統(tǒng)，并用于液面及盛液管檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件架構(gòu)如圖5所示，盛裝液體的玻璃管放置在光源和線陣相機(jī)之間；信息處理系統(tǒng)及設(shè)備完成線陣相機(jī)觸發(fā)和數(shù)據(jù)采集；PC端采集液面及盛液管光信息數(shù)據(jù)，并完成檢測(cè)結(jié)果處理，得到液位、盛液管污染程度、破損、液體相對(duì)透光度、液體顆粒度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見(jiàn)圖5，盛液管實(shí)驗(yàn)實(shí)物如圖6所示。

圖5　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)組成示意圖

圖6　盛液管實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

3.2測(cè)試結(jié)果及分析

在透明玻璃管中盛裝清水或化學(xué)試劑，通過(guò)圖5的平臺(tái)檢測(cè)盛液管，通過(guò)線陣相機(jī)獲得盛液管的透光信息。在PC端獲得液位和盛液管檢測(cè)信號(hào)如圖7所示，可見(jiàn)信號(hào)整體幅度波動(dòng)較小：① 位置處信號(hào)毛刺較小，與測(cè)試使用全新無(wú)污損的玻璃管現(xiàn)象相符；② 位置信號(hào)對(duì)應(yīng)玻璃管中液體與空氣接觸面，信號(hào)銳利，分界明顯；③ 位置對(duì)應(yīng)玻璃管中空氣段，信號(hào)波動(dòng)幅度小，波動(dòng)多為雜散光引起。最終測(cè)試結(jié)果顯示：線陣相機(jī)的驅(qū)動(dòng)處理電路設(shè)計(jì)合理，噪聲抑制情況較好。

圖7　液面及盛液管檢測(cè)結(jié)果

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)TCD1700系列線陣CCD器件做了共同點(diǎn)和差異性分析，完成了驅(qū)動(dòng)及處理時(shí)序參數(shù)相關(guān)性分析。給出了線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路的設(shè)計(jì)考慮、接口及信號(hào)定義、寄存器定義，并使用quartusII和modelsim軟件對(duì)電路以IP核方式進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在Altera的cycloneIV平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成了測(cè)試和功能實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的IP核與線陣相機(jī)系統(tǒng)兼容性良好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)試信號(hào)波動(dòng)幅度小，噪聲抑制效果明顯，可移植，可復(fù)用。本研究為定制型線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路的設(shè)計(jì)提供了一種參考設(shè)計(jì)方案，為工業(yè)場(chǎng)合光電檢測(cè)和光電特征信息處理提供了參考。后續(xù)，將設(shè)計(jì)的電路IP和線陣相機(jī)使用到光伏組件灰塵效應(yīng)模擬與檢測(cè)系統(tǒng)中，并對(duì)此技術(shù)進(jìn)行實(shí)用性評(píng)價(jià)。

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(責(zé)任編輯楊黎麗)

Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application

LIAO Feia，GONG Heng-xianga, b，LIANG Xiaoa，WEI Qing-chena，YIN Bin-juna，WANG Cana

(a.Department of Optical and Electronic Information;b.Photovoltaic New Energy Applied Technology and Equipment Institute,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:To solve the reuse and portability problem for custom linear camera driving and signal processing circuit, integration and intellectual property (IP) core of linear camera drive and signal processing circuit were designed based on the analysis of the operational principle, timing parameters and differences and similarities between TCD1700 series CCD device, and the definition of design logic, interface and register were given, and the design model and simulation test were built and executed with verilog language and the quartusii and modelsim platfrom. At last, it was implemented and verified in cycloneIV device platform, and the designed circuit was applied in detection experiments of drip tube and liquid level interface. Experimental results show that: the front-end processing circuit can have accurate characteristic information extraction of liquid level and drip tubes and have good effect in circuit noise suppression, which is reusable.

Key words:linear camera; analogy front end; drive and signal processing circuit; intellectual property (IP) core

收稿日期：2015-12-12

基金項(xiàng)目：重慶市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(cstc2014yykfB70005)

作者簡(jiǎn)介：廖飛(1982—),男,碩士,主要從事數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)、FPGA嵌入式系統(tǒng)研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.025

中圖分類號(hào)：TN364

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-8425(2016)06-0148-06

引用格式：廖飛,龔恒翔,梁霄，等.線陣相機(jī)模擬前端驅(qū)動(dòng)處理電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2016(6):148-153.

Citation format：LIAO Fei，GONG Heng-xiang，LIANG Xiao,et al.Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):148-153.