基于TCD1711DG的信號采集系統(tǒng)設(shè)計

王　秀，盧海燕，占偉偉，蔡　莉，宮　玥

（中國地震災(zāi)害防御中心，北京　100029）

基于TCD1711DG的信號采集系統(tǒng)設(shè)計

王秀，盧海燕，占偉偉，蔡莉，宮玥

（中國地震災(zāi)害防御中心，北京100029）

隨著科技的發(fā)展，線陣CCD的性能不斷提高。近年來出現(xiàn)的二相線陣CCD，將光信號轉(zhuǎn)換為奇偶兩相電荷信號并行輸出，因而其信號轉(zhuǎn)換速率可達(dá)傳統(tǒng)線陣CCD的兩倍左右，但同時其信號采集電路也更加復(fù)雜。以二相線陣CCD TCD1711DG為例，采用高速的信號處理器和存儲器，設(shè)計了一種針對二相線陣CCD的信號采集與處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，抗干擾性好。實驗表明，該系統(tǒng)能實現(xiàn)對二相線陣CCD信號的高速采集功能，復(fù)現(xiàn)性較高，有實際的應(yīng)用價值。

二相線陣CCD；并行輸出；信號采集；集成化

0　引　言

電荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）是20世紀(jì)中后期發(fā)展起來的一種光電傳感器，可以將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換成電荷信號并按像元逐個輸出。按照像元的排列方式，CCD可分為面陣和線陣兩類。由于線陣CCD具有精度高、噪聲低、響應(yīng)快等特點，目前被廣泛應(yīng)用于非接觸式測量和圖像掃描等領(lǐng)域［1］。

二相線陣CCD與傳統(tǒng)線陣CCD的區(qū)別在于，其將轉(zhuǎn)換后的一維電荷信號分為相位差180°的奇、偶兩路信號并行輸出，從而使得CCD的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率相較于單路輸出的線陣CCD提高了近一倍。在CCD測量系統(tǒng)中，CCD信號的采集處理電路是將測量信號轉(zhuǎn)換為實際觀測量的關(guān)鍵部分，影響著整個測量系統(tǒng)的速度和精度。二相線陣CCD在帶來高速轉(zhuǎn)換速率的同時也對信號采集處理電路提出了新的功能要求：將奇、偶兩路CCD信號按照正確的時序合并為完整的一維信號；對數(shù)據(jù)量較大的CCD信號進(jìn)行高速預(yù)處理，除去信號中的各種噪聲。傳統(tǒng)做法是采用分立元件搭建的功能電路，對兩路信號分別進(jìn)行濾波、采樣、放大等預(yù)處理［2］，再分別送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換［3］，隨后采用加法電路［4］或模擬開關(guān)將奇、偶兩路信號整合為一路。但這類方法的電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分立元件較多，工作頻率受硬件限制，易引入干擾。

為解決上述問題，本文采用CCD專用處理器和高速緩存器設(shè)計了一種針對二相線陣CCD的信號采集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、抗干擾性好、能夠?qū)崿F(xiàn)對二相線陣CCD信號的高速實時采集和處理功能。

1　系統(tǒng)原理

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用東芝公司生產(chǎn)的線陣CCD TCD1711DG作為采集系統(tǒng)的光電傳感器，它包含7 450個有效像元，像元尺寸達(dá)到4.7 μm× 4.7 μm×4.7 μm，具有高靈敏度和低暗電流，工作時CCD信號分為奇偶兩路電荷同時輸出，自掃描速率典型值為1 MHz（最高可達(dá)30 MHz）。團(tuán)隊前期已設(shè)計了積分時間可調(diào)的CPLD驅(qū)動電路，用來產(chǎn)生TCD1711DG的工作時序［5］，從而驅(qū)動CCD進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換。選擇ADI公司生產(chǎn)的CCD信號專用處理器AD9826直接采集CCD的兩路輸出信號，在一片IC上實現(xiàn)信號預(yù)處理、信號整合和模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。并利用讀寫?yīng)毩⒌母咚匐p端口FIFO，一端連接AD9826以實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的實時存儲；另一端連接微處理器，方便其對數(shù)據(jù)的隨時提取。從而實現(xiàn)系統(tǒng)對二相線陣CCD信號的高速采集和處理功能。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　電路設(shè)計

為簡化電路和減少干擾，本文設(shè)計的CCD信號采集和處理系統(tǒng)主要由CCD信號處理器和數(shù)據(jù)緩存器兩個IC芯片組成，外圍電路簡單，集成度高，有很好的實用性和便攜性，能夠?qū)崿F(xiàn)二相線陣CCD信號的高速采集和實時存儲功能，方便后續(xù)對CCD數(shù)據(jù)的其他操作。

2.1信號采集電路

CCD信號采集電路的原理圖如圖2所示。其中，信號處理模塊選擇AD9826，它是一款完整的8/16位CCD信號專用處理器，具有三通道結(jié)構(gòu)，最高轉(zhuǎn)換速率達(dá)15 MSPS。對于二相線陣CCD輸出的奇偶信號，AD9826的雙通道模式能夠通過相應(yīng)工作時序的驅(qū)動自動完成奇偶信號的合并。同時，AD9826內(nèi)部的每個通道均集成了輸入箝位、相關(guān)雙采樣器、偏移DAC和可編程增益放大器等預(yù)處理電路，并通過多路復(fù)用方式接入一個高性能16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。因此，采用一片AD9826即可實現(xiàn)對兩相線陣CCD信號的采集處理功能，從而大大簡化了系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)，減少了硬件電路過多帶來的干擾和延時等問題。

圖2　信號采集電路原理圖

AD9826內(nèi)部含有8個可編程寄存器，可通過三線制串口編程實現(xiàn)功能的設(shè)置［6］。多路復(fù)用寄存器主要控制輸入通道的采樣順序和雙通道模式的配置，本文配置VINR和VING兩個輸入通道以雙通道模式對CCD信號進(jìn)行采樣。TCD1711DG的輸出信號需先通過0.1 μF去耦電容除去其中的直流分量，使信號電壓值滿足輸入范圍再送入輸入端。

配置寄存器主要控制操作模式和偏置電平，其具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。CCD信號送入AD9826的輸入端后，先要經(jīng)過內(nèi)部采樣器的采樣，采樣器有兩種工作模式，分別為CDS（相關(guān)雙采樣）模式和SHA（采樣保持放大器）模式。CDS模式是對各個像元的復(fù)位電平和信號電平分別進(jìn)行采樣，將兩次采樣的差分電平作為真實信號，這種方法能夠消除信號中的復(fù)位噪聲和暗電流噪聲，從而提取出像元信號的真實成分。SHA模式是對各個像元信號直接進(jìn)行電平采樣，無法消除信號中的噪聲成分，且采取此模式時需要搭配外圍的差分、跟隨等預(yù)處理電路。因此，本系統(tǒng)選擇CDS模式進(jìn)行信號采樣。

表1　配置寄存器的參數(shù)設(shè)置

2.2數(shù)據(jù)存儲電路

由于CCD和A/D的工作頻率較高且輸出的數(shù)據(jù)量較大，單片機(jī)等處理器對數(shù)據(jù)的讀取和處理均需要一定的時間，若將CCD數(shù)字信號直接輸出到處理器，勢必會占用大量CPU內(nèi)存，影響程序的正常運行。因此，本系統(tǒng)采用外部高速緩存器來實時存儲采集的數(shù)據(jù)，方便處理器隨時讀取，從而使信號采集和數(shù)據(jù)處理兩部分相互獨立。數(shù)據(jù)存儲器選擇IDT公司的IDT72V251，它是一種高速低功耗的同步FIFO存儲器，容量為8K×9 b，具有獨立的讀寫功能，時鐘最高頻率可達(dá)66.7 MHz，完全滿足TCD1711DG輸出信號的存儲要求。另外，由于AD9826的模擬端和數(shù)字端具有獨立的供電電源，輸出信號可匹配IDT72V251的電壓，所以信號采集電路與存儲電路之間無需電平轉(zhuǎn)換，電路結(jié)構(gòu)更加簡單。

3　時序設(shè)計

本文采用單片機(jī)作為處理器，利用三個I/O口模擬SPI對AD9826的內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程配置，配置時序如圖3所示。此方法不依賴于處理器是否具有SPI模塊，因而有很好的適用性。

圖3　AD9826的配置時序

CPLD產(chǎn)生的AD9826工作時序如圖4所示。本文將CCD的轉(zhuǎn)移脈沖作為AD9826的輸出使能信號OEB，控制采集電路在CCD開始輸出像元信號時實時進(jìn)行信號采樣和數(shù)據(jù)輸出。AD9826在ADCCLK時序的下降沿對CCD信號進(jìn)行采集和轉(zhuǎn)換，經(jīng)過3個時鐘周期將數(shù)據(jù)輸出，IDT72V251在寫時鐘WCLK的上升沿對AD9826輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。根據(jù)時序要求，本文將ADCCLK時序延時50 ns作為FIFO的寫時鐘WCLK，從而實現(xiàn)CCD信號輸出和數(shù)據(jù)存儲的同步。

圖4　AD9826的工作時序

4　實驗結(jié)果

在黑暗的光學(xué)實驗室中，將激光光點打到CCD的前端區(qū)域，由示波器觀察到的輸出波形如圖5（a）所示。同時，采用本文設(shè)計的采集系統(tǒng)對CCD信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用單片機(jī)讀取FIFO中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)并通過串口傳遞到上位機(jī)，并通過Matlab軟件繪制CCD輸出信號的數(shù)字量曲線圖，如圖5（b）所示。由于AD9826輸出的是相關(guān)雙采樣信號，已經(jīng)濾除了真實信號中的直流5 V部分并將負(fù)極性信號反相［7］，所以繪制的數(shù)字量曲線與實際信號的曲線極性相反，通過對比觀察可見奇、偶兩路信號的實際曲線基本一致，且相應(yīng)的數(shù)字量信號曲線也基本一致，說明該采集系統(tǒng)對原始CCD信號的復(fù)現(xiàn)性較好。

圖5　CCD輸出信號的真實曲線和數(shù)字量曲線

奇偶像元信號合并后的CCD信號數(shù)字量曲線如圖6所示，它反映了光點的實際位置。光點位置一般在CCD信號強(qiáng)度峰值附近，通過觀察圖6曲線得到光點位置約在第1 800像元處，同時在單片機(jī)上利用重心算法計算得到的光點位置值為1 850.39，間接證明了該采集系統(tǒng)的信號復(fù)現(xiàn)性和一致性較好。

5　結(jié)　論

本文以TCD1711DG為例，針對二相線陣CCD輸出信號的特點和采集處理電路存在的問題，選擇高速完整的信號處理器和高速存儲器，設(shè)計了一種針對二相線陣CCD的高速信號采集處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單且集成度高，很好地解決了二相線陣CCD復(fù)雜的信號處理問題，實現(xiàn)了CCD信號的高速實時采集和處理功能，具有廣泛的應(yīng)用價值，目前本系統(tǒng)已應(yīng)用于地震前兆觀測儀器中。

圖6　信號合并后的CCD輸出曲線（數(shù)字量）

［1］申立琴，馬彩文，田新鋒，等.基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的CCD圖像采集系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32（2）：151-153.

［2］薛旭成，趙運隆.高速多通道CCD預(yù)放電路設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（15）：160-162.

［3］張林，李永新，胡學(xué)友.基于相關(guān)雙采樣技術(shù)的CCD視頻信號處理研究［J］.宇航計測技術(shù)，2007，27（2）：33-37.

［4］聞路紅，童衛(wèi)旗，陳桂林.重心算法確定CCD像點位置的硬件實現(xiàn)［J］.儀器技術(shù)與傳感器，2004（5）：42-43.

［5］ZHAN W W，LU H Y，CAI L，et al.Design of CCD driver for quartz horizontal pendulum tiltmeter based on CPLD［C］//Proceedings of the Ninth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation.Changsha，China：SPIE，2015：9446-9452.

［6］ZHU Q M，WANG L Q，YUAN B.Cooling CCD camera based on embedded system［J］.Infrared and laser engineering，2014，43（11）：3608-3614.

［7］譚露雯，李景鎮(zhèn)，陸小微，等.基于CPLD工作模式可調(diào)的線陣CCD驅(qū)動電路設(shè)計［J］.光子學(xué)報，2010，39（3）：436-440.

Design of signal acquisition system based on TCD1711DG

WANG Xiu，LU Haiyan，ZHAN Weiwei，CAI Li，GONG Yue
（China Earthquake Disaster Prevention Center，Beijing 100029，China）

With the development of science and technology，the performance of linear array CCD is improved continually. The two-phase linear array CCD emerged in recent years can convert the optical signal into the two-phase（odd and even）electric charge signals for parallel output，so its signal conversion rate is nearly twice as much as that of the traditional linear array CCD，and the circuit of signal acquisition is also more complex.Taking the two-phase linear array CCD TCD1711DG as an example，a signal acquisition and processing system for two-phase linear array CCD was designed with a high-speed signal processor and a high-speed memory.The circuit of the system has the characteristics of simple structure，high integration，and good anti-interference ability.The experimental results show that the system can realize the high-speed signal acquisition function for two-phase linear array CCD signal，and has high reproducibility and practical application value.

two-phase linear array CCD；parallel output；signal acquisition；integration

TN911.7-34；TP391

A

1004-373X（2016）19-0092-03

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.19.022

2015-11-19

地震科技星火計劃項目（15408013406）；中國地震災(zāi)害防御中心主任基金項目（2220045053）

王秀（1987—），女，遼寧大連人，碩士，研究實習(xí)員。研究方向為地震計量檢定技術(shù)、地形變觀測技術(shù)和光電測量技術(shù)。