CCD图像传感器成像技术


一羹 摘要CCD(电荷耦合器件)广泛应用于光电探测领域。面阵式CCD相机成像技术涉及CCD芯片驱动、模拟与数字电路混合处理设计、视频合成技术、信号处理技术、微功耗电源管理等。其核心技术是保证高灵敏度的光电成像、高信噪比的图像质量和高速率的信号传输。特种CCD图像传感器应用广泛、价格昂贵,自主研制CCD相机具有重要意义。本文从介绍CCD的结构开始,叙述了CCD光电信号的产生、存储、转移和输出过程。基于CCD的工作流程和性能特点,提出了系统控制电路结构和驱动实施方案。系统控制电路按功能划分为信号处理、CCD驱动电路、差分接收发送、电源管理单元。鉴于CCD芯片工作电压种类多的特点,采用DC—DC电压转换来满足系统供电要求。采用分立器件构成推挽电路实现CCD成像芯片的驱动设计。采用CDS(相关双采样)技术有效的抑制了系统复位噪声及低频噪声。信号处理单元完成图像信号的存储、标准视频信号的合成及图像的数字、模拟显示等功能;同时接收外部接口电路的同步、曝光信号,完成相机的控制功能。采用硬件语言Vcrilog对FPGA器件编程实现上述功能。文章对PAL视频合成、视频信号数据流的乒乓式帧存储的操作方式、CDS的控制实现、电子曝光控制电子抗晕等作了详细的介绍。论文最后总结了全文的研究内容和创新点,并提出了系统进一步改进的具体措施。关键词:电荷耦合器件(CCD),DC—DC电压转换,相关双采样(CDS),视频合成本论文作者签名 AbstractChenJuntaoMeasuringTechnologyandAutomationInstrumentDirectedbyZhangQihengCCD(ChargeCoupledDevice)hasawildrangeofapplicationinthefieldofphotoelectricdetection.ImagingtechnologyofplanarCCDcamerainvolvesalotofaspectsasfollowing:drivingtechnologyofCCDsensor,circuitdesigningofmixedanaloganddigitalsignals,composingtechnologyofvideosignal,signalprocessing,managementofmicropowerdissipation,etc.AndtheessentialtechnologyishowtoassBrecamera’Shighsensitivitytoimaging,highSNR(SignalNoiseRatio)ofimagequality,highspeedofdatatransfer.SpecialtypeCCDcamerahasafar-rangingofUSe,anditisveryexpensive,consequently,developingCCDcameraindependentlyhasextraordinarysignificance.BeginswithintroductionoftheCCDsensor’Sstructure,thisPaperdepictstheprocessofproduce,storing,transferandoutputoftheCCDsensor’Ssignal.Onthebasisoftllethorou.911understandingofCCDsensor’Sworkingflowandcharacteristics,schemesofbomthesystemcontrolstl"uctureandthedrivingimplementationhavebeenbroughtforward.Accordhagtotheirdifferentfunctions,thesystemcontrollingcircuitshavebeendividedintothefollowingunits:signalprocessing,CCDsensor’Sdrivingcircuit,differencereceiver/driver,powermanagementunit(PMU).InviewofthecharacterofCCDsensor’Sdrivingpower,DC—DClevelshiftcircuitsareusedinPMUtosatisfysystem’Spowerdemand.Anddiscretedevicesareintroducedtomakeuppush-pullcircuittocompletethesensor’Sdriving.AndCDS(CorrelatedDoubleSampling)hasbeenadoptedtorestrainsystemresetnoiseandlow-frequencynoise.Thesignalprocessingunitaccomplishesimagedatastorage,standardvideocomposing,videodisplaybothindigitalandanalogformat,etc.Atthesametime,thisunitreceivesthesynchronizationandexposalsignalsfromtheexteriorunitandimplementscorrespondingoperation.HardwarelanguageVerilogisusedtofulfillcon仃olfimction.Inthispaper,methodsofPALvideocomposing,imagedatastorage,theCDS’Simplementation,electronicexposurecon拄ollingarestudieddeeply.Attheendofthispaper,contentandinnovatepointsaresummarized.Andmeasuresforupgradethecarrlerasystemalsoareputforward.KeyWords:CCD(ChargeCoupledDevices)CDS(CorrelatedDoubleSampling)nDC.DClevelshiftcircuitVideocomposingtechnology 第一章引言第一章引言1.1课题来源本课题来源于国家863计划预研课题。在引进关键CCD成像芯片的基础上,自主研制具有特殊用途的高灵敏度相机才能更好的满足科研工程的需要;结合我室现有图像跟踪监测技术,能极大提高我们的图像跟踪技术的水平。1.2课题研究的目的和意义背照式CCDsensor是一种新型的特殊的CCD传感器。从正面入射的CCD传感器因其转移电极的存在,会引起进入到感光区表面的入射光能量的衰减;而背照式CCD传感器具有较高的入射光量子效率,可以实现高灵敏度成像。作为精密复杂的电视成像系统,面阵式CCD相机的系统设计技术涉及CCD芯片驱动、模拟和数字电路混合设计、图像信号合成技术、机身小型化一体化技术、微功耗电源管理技术、温度管理、光学机械设计等,是一项复杂的系统工程。CCD相机在工业、民用、商业、多媒体等领域的应用日趋广泛。高质量CCD相机大多依赖国外进口,价格昂贵,某些高新技术相机还面临禁运风险。自主研制具有特殊用途的高质量、高灵敏度相机,不仅可以打破某些国家对特种CCD相机的贸易限制,还可以按照自己的需要实现特殊功能,满足特殊应用环境下对相机的要求;将我们成熟的DSP技术和嵌入式处理技术融合到相机中,可以实现图像实时处理跟踪等特殊功能,满足工程设备小型化的要求;同时有效的降低工程成本。1.3COD技术国内外现状和发展趋势CCD(ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件),是在20世纪70年代初发展起来的新型半导体光电成像器件。美国贝尔实验室的w.S.Boyle和G.E.Smith于1970年提出了CCD的概念,随后建立了以一维势阱模型的非稳态CCD的基本理论。30多年来,CCD技术随着新型半导体材料的不断涌现和器件的微细化技术的完备而不断发展。目前,CCD技术已经广泛应用于信号处理、数字存贮和影像传感器等领域。其中,CCD技术在影像传感器中的应用最为广泛,已成为现代光学电子和测试技术中最活跃,最富有成果的领域之一。 第一章引言近10年来,CCD相机的用量以每年20%的速度递增。在监视、广播、预警系统、车载、多媒体等都有广泛应用,是跨行业、跨专业、多方面应用的一种光电产品。据不完全统计,1997年至1998年间,仅国内彩色和黑白CCD相机用量就达60一70万台。从1998年日本出版的《技术市场》杂志获悉,世界上己把CCb列为未来10年可能增益100倍的高技术产品。由于CCD相机用量的急速增加,世界上几个发达国家和地区已形成大规模CCD相机制造产业。美国和日本在CCD产业上处于领先地位。美国在CED传感器和应用电视技术方面,以高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等的EED相机占有绝对优势。在航空、航天各方面的应用非常成功。这些产品不仅价格昂贵、而且受到国家的严格管制。日本在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界一流,尤其在CCD相机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备基本上占有全世界的大部分市场。1.4CCD技术的发展趋势和研究新方向先介绍一下CCD传感器技术发展趋势。CCD传感器有两种,第一,特殊CCD传感器。如红外CCD芯片、高灵敏度背照式和电子轰击式CCD等;另外还有大靶面如2048×2048、4096×4096可见光CCD传感器;宽光谱范围(紫外光一可见光一近红外光一3-5/zm中红外光一8-14#m远红外光)焦平面阵列传感器等。第二,通用型或消费型CCD传感器。CCD传感器技术发展表现在以下几个方面:①CCD传感器的像面尺寸向集成化、轻量化方向的发展。②CCD传感器向高素数、多制式发展③降低CCD传感器的工作电压、减少功耗。在初期研制的CCD相机有+24V、+22V、+17V乖I+5V等,目前通用的CCD相机供电多采用+12V。④CCD制造效率的提高。由DipOnBoard(DOB)改进为ChipOnBoard(COB)贴片方式,到MultiChipModule(MCM多芯片集成模组化)制造技术。随着半导体技术和微细工艺的发展完善,CCD传感器制造工艺技术不断提高,近几年在CCD传感器芯片上出现了以下一些新技术:①背照技术。其技术要点是减薄成像器件的厚度和从背面入射目标图像。由.2. 第一章e瞎于其大大提高了入射光的量子效能.大大的增强了成像器件的灵敏度,适合非常弱光的场合。②Binning技术。通过设置台并电路或合并软件,将几个像素合并成一个像素的技术,可以有效的提高像素响应度、信噪比、及相机的帧速;但是相机的分辨率也随之降低。③高速度成像器件。其主要是采用Binning技术、多路输出端口、间隔采样技术等获得相机输出的高帧频。CCD新技术还包括电子抗晕技术、低温工作技术、拼合技术等。CCD传感罂技术的发展及其应用技术的深化有利得推动了CCD相机技术的发展。近几年.CCD相机不断扩展其应用领域,产品不断多样化,如:摄录一体化CCD相机、移动电话、作为电脑前端和图像输入系统的PcCamera、民用住宅的安防的Doorphone、各种扫描仪、医用显微内窥镜用的超小型的CCD摄像机、数码相机等等。目前在CCD相机研制技术上,出现的2个热门方向是:①Hyp目-D高动态范围CCD相机CCD相机是一种用来模拟人眼的光电探测器。但是人眼在观察目标时。可以看清目标的最低照度为1Ix。当目标照度达到3×105lx时,人眼动态范围,称之为Hyp日-DCCD摄像机。②从模拟AnatogeCCD相机向DSP数位处理CCD相机方向的发展采用DSP技术,可以使CCD相机在数字检测和数字运算技术上能够有效实现智能化逆光背景补偿:能够自动跟踪白平衡,即可以在任何条件下检测和跟踪“白色”。并以数字运算处进功能来再现原始的景物色彩。1.5主要研究工作在查阅大量相关文献的基础上,确定CCD相机系统结构,规划实施方案。主要工作包括以下六个方面:①查阅资料了解CCD传感器工作的原理,掌握其时序要求和硬件平台要求;了解相关新技朱,如电源功耗管理、半导体制冷技术等。②设计系统方案,划分功能模块。 第一章引言③根据功能模块的需求查询相关器件,了解器件功能,确定系统所需元器件的封装、选型等。④设计各功能单元电路。制作PCB印制板,并完成硬件平台的制作和调试。⑤用硬件编程语言vorilog完成软件的编写和调试。⑧系统连调,实现图像的输出和显示。⑦分析性能,提出系统设计。1.6小结本章主要介绍了CCD传感器和CCD相机的新技术、现状和国内外发展趋势介绍了自主研制CCD相机的意义和工作的主要内容。 第二章CCD传感器介绍第二章OOD传感器介绍电荷藕合器件CCD(ChargeCoupledDevice)传感器由许多感光单位组成,通常以百万像素为单位。它使用一种高感光度的半导体材料制成,能把光信号转变成电荷信号。它主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最下面的电子线路矩阵所组成。当CCD表面受到光线照射时,每个感光单位会将电荷反映在组件上;所有的感光单位所产生的信号加在一起,就构成了一幅完整的画面。和传统底片相比,CCD更接近于人眼视觉的工作方式。只不过人眼的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞分工合作组成视觉感应。CCD经过长达35年的发展,大致的形状和运作方式都已经定型。目前有能力生产CCD芯片的公司分别为:SONY、Philps、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp等。2.1COD的基本工作原理CCD不同于大多数以电流或电压为信号的器件,其突出特点就是以电荷作为信号。CCD基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检N(HP输出)。2.1.1光电荷的产生当光入射到CCD的光敏面时,便产生了光电荷。CCD在某一时刻所获得的光电荷与前期所产生的光电荷进行累加,称为电荷积分。入射光越强,通过电荷积分所得到的光电荷量越大。光电荷产生的方法主要分为光注入和电注入两类。通常的CCD相机一般采用光注入方式。当光照射到CCD硅片上时,在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对,其多数载流予被栅极电压排开,少数载流予则被收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又分为正面照射式与背面照射式。背照式CCDsensor是一种新型的特殊CCD传感器,区别于正面照射式传感器在于入射面不同。它具有较高的入射光量子效率和成像灵敏度,可以实现微光成像。光电荷可以用下式表示:Q0=r/qAn。。4%其中:叮为材料的量子效率:q为电子电荷量;An。为入射光的光子流速率;A为光敏单元的受光面积;耳为光注入时间。2.1.2电荷的存储 第二章CCD传感器介绍构成CCD的基本单元是MOS(金属一氧化物一半导体)结构。如图2-i(a)所示,在栅极G电压为零时,P型半导体中的空穴(多数载流子)的分布是均匀的。当施加正偏压%(此时%小于p型半导体的闽值电压‰),如图2-i(b)示,空穴被排斥,产生耗尽区。电压继续增加,则耗尽区将进一步向半导体内延伸。称半导体与绝缘体界面上的电势为表面势,用m。表示,当%)U。时,中。变得很高,以致于将半导体内的电子(少数载流子)吸引到表面,形成一层薄的(约10。2朋)、但电荷浓度很高的反型层,如图2一l(c)。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。金属栅氯化层P型半导体耗尽区反掣尽(a)(b)‘cJ图2—1单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响(a)栅极电压为零;(b)栅极电压小于闽值电压:(c)栅极电压大于阈值电压表面势①。与反型层的电荷浓度鲰,、栅极电压UG有关。中。与鲰,有着良好的反比例线性关系。由于CCD的像素的光电转换可以比喻为往井内注水,所以用半导体物理中的“势阱”的概念来描述上述线性关系。如图2—2示。隹d目图2-2势阱(a)空势阱(b)填充I/3的势阱(c)全满势阱0●●”幅 第二章CCD传感器介绍电子所以被加有栅极电压的MOS结构吸引到氧化物与半导体的交界面处,是因为那里的势能最低。在没有反型层时,势阱的深度和U。成正比例关系。如图2—2(a)空势阱的情况。当反型层电荷填充势阱时,表面势收缩,如图2-2(b)。反型层电荷浓度继续增加,势阱被填充更多,此时表面势不再束缚多余的电子,电子将产生“溢出”现象。如图2-2(c)所示。2.1,3电荷的转移通过按一定的时序在电极上施加高低电平,可以实现光电荷在相邻势阱间的转移。我们用图2—3来示意CCD中势阱中电荷的转移。2(V卦122r是2。V)2(V3)1(01V)2-(-2){02(V3)2‘V311‘01V’1总V2守10V2V11UV 饿廿甘—断一酊—百(t)新势阱‘b)(c)(3)(1)(2)(3)(3)(1)r21(3)2V10寸22V2V2V2VIOV2V斟盥萨制目蛾{厂弋:r[:::屯hr、r电荷移动(d)(e)(f)图2—3三相CCD中电荷的转移过程(a)初始状态;(b)电荷由①电极向⑦电极转移;(c)电荷在①②电极下均匀分布;(d)电荷继续由①电极向②电极转移;(e)电荷完全转移到②电极;(f)三相转移脉冲图2—3中CCD的四个电极彼此靠的很近。假定一开始在偏压为10V的(1)电极下面的深势阱中,其他电极加有大于阈值的较低的电压(例如2V),如图(a)所示。一定时刻后,(2)电极由2V变为10V,其余电极保持不变,如图(b)。因为(1)和(2)电极靠的很近(间隔只有几微米),它们各自的对应势阱将合并在一起,原来在(1)下的电荷变为(1)和(2)两个电极共有,图(C)示。此后,改变(1)电极上10V电压为2V,(2)电极上10V不变,如图(d)示,电荷将转移到(2)电极下的势阱中。由此实现了深势阱及电荷包向右转移了一个位置。 第二章CCD传感器介绍通常把CCD的电极分为几组,每一组称为一相,并施加同样的时钟脉冲。按相数划分,CCD一步可以分为二相、三相、四相。上面示例的就是三相CCD的电荷转移过程。图2-4示例了典型的三相、二相CCD传感器的电极结构。参硅如{1.....。...。。...。.....。.。。.。.....。........。..一(a)半Lrl』。{L—J一一Jj!....................................................一(b)图2-4CCD的电极结构示意(a)采用一层多晶硅的三相电阻结构(b)二相硅一铝交叠栅结构为了实现转移,CCD电极间的间隙必须很小,电荷才能不受阻碍得从一个电极下转移到相邻电极下。电极间的间隙由电极结构、表面态密度等因素决定。理论和实践证明,间隙的长度应小于3m。2,1.4光电荷的输出光电荷的输出是指在光电荷转移通道的末端,将电荷信号转换为电压或电流信号输出,也称为光电荷的检测。目前CCD的主要输出方式有电流输出方式、浮置扩散放大输出和浮置栅极放大器输出。RDTR‰卜灿放大图2-5CCD电流输出模式结构示意图.8. 第二章CCD传感器介绍如2-5图所示,当信号在转移脉冲的驱动下向右转移到末极电极的势阱中后,m,电极电压由高变低时,由于势阱的提高,信号电荷将通过输出栅(加有恒定电压)下的势阱进入方向偏置的二极管(图中n+区)。由【,。,电阻R、衬底P和n十区构成的方向偏置二极管相当于一个深势阱,进入到反向偏置二极管中的电荷,将产生输出电流Id,Id的大小与注入到二极管中的信号电荷量g成正比,其关系可以表示为:级=Ldt。由于,D的存在,使得A点的电位发生变化,厶增大,A点的电位降低。所以可以用A点的电位来检测二极管的输出电流,。。CCD的电流输出模式即是用隔直电容将A点的电位变化取出,再通过放大器输出。图中的场效应管Reset为复位管,其作用是提供一个读出周期内的像素复位。CCD电荷的检出方式还有浮置扩散输出、浮置栅放大器输出等。其结构示意图如下。铭够踢笃毋够纪茸茎堑‰iI竺]9R密蜜————-一土T2图2-6CCD浮置扩散输出结构示意图图2-7CCD浮置栅放大器输出结构示意图2.2CCD成像芯片的分类CCD器件的主要功能是把二维光学图像信号转变为一维视频信号输出,一般分为线阵CCD和面阵CCD。这里我们只介绍面阵CCD的情况。按一定的方式将一维线型CCD的光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列,就构成了二维面阵CCD。由于排列的方式不同,面阵CCD有帧转移、隔行转移、线转移和全帧转移等方式。2.2.1帧转移面阵00D图2-8为面阵帧转移CCD器件的结构示意图。它分为成像区,暂存区和水平读出寄存器三部分。成像区由并形排列的若干电荷耦合沟道组成,各沟道之间用沟 第二章CCD传感器介绍道阻隔开,水平电极横贯各沟道。暂存区的结构和单元数都和成像区相同。暂存区与水平读出寄存器均被屏蔽。图2·8帧转移面阵CCD图像首先经过物镜成像到光敏区。当光敏区的某一相电极加有适当的偏压时,光生电荷将被收集到这些电极下方的势阱里,这样就将被摄光学图像转为光积分电极下的电荷包图像。在光积分周期结束时,通过加到成像区和存储区电极上的垂直驱动脉冲,将代表整个一帧图像的电荷全部转移到存储区中各对应的存储单元内,这个过程称之为帧转移。完成帧转移后,在存储区脉冲作用下存储区内的每行的电荷以平移方式向下移动,逐行进入读出寄存器。然后在读出脉冲的作用下沿水平方式移动,最后经输出电路输出。在当第一场信号读出的同时,第二场信息通过光积分又收集到势阱中。当第一场全部读出的同时,第二场信息随之传送到寄存器,使之连续得读出。帧转移面阵CCD的特点是结构简单,光敏单元的尺寸较小,但光敏面积占总面积的比例小。2.2.2线转移型面阵COD和行间转移型面阵COD线型转移CCD取消了存储区,多了一条寻址电路。它的光敏单元一行行紧密排列,类似于帧转移型的光敏区。它没有水平读出寄存器,只有一个输出寄存器。这种转移方式的优点是有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高,但是电路结构复杂。行间转移面阵CCD,又称隔列转移型面阵CCD,它的像敏单元里二维排列,每列像敏单元被遮光的读出寄存器用沟阻隔开,像敏单元与读出寄存器之间又有转移栅控制。每一像敏单元对应于二个遮光的读出寄存器单元。读出寄存器与像敏单元.10, 第=章CCD传感器介绍的另一侧被购阻隔开。2.2COD的基本特性参数2,3.1动态范围动态范围由势阱中的可存储的最大电荷量和由噪声决定的最小电荷量的比值决定。该参数反应了器件的工作范围。1.最大电荷量CCD的最大电荷量又叫满阱容量(full—wellcapacity),其大小取决于CCD的电极面积及器件结构(SCCD,BCCD)、时钟驱动方式及驱动脉冲电压幅值等。根据器件结构分类CCD有两种基本类型:一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面,并沿界面传输,这类为表面沟道CCD(SCCD)。二是电荷包存储在里半导体表面一定深度的体内,并在半导体内沿一定方向传输,这类器件称为体沟道或埋沟道器件(8CCD)。表面沟道ccD(sccD)的满阱容量的表达式为:Q。。=c。UGA=6dsE.o4uG其中C0为单位氧化膜的电容量;U。为栅极电压;A为CCD电极的有效面积:占。为介质常数(3.38):岛为空气介质常数;d;为氧化膜厚度。BCCD的计算比较复杂,随着沟道深度增加,势阱中可容纳的电荷量减少。同样条件下,BCCD比SCCD容纳电荷少。2.噪声在CCD中常见的噪声源有:①由于电荷注入器件引起的噪声;②电荷转移过程中,电荷量的变化引起的噪声。③检测电荷时,由复位电压引起的检测噪声。CCD的平均噪声值如表2-I所示:表2-ICCD噪声噪声的种类噪声电平(电子数)输出噪声400转移噪声(SCCD)1000转移噪声(BCCD)100 第二章CCD传感器介绍下面具体分析与传感器有关的噪声类型:①光子噪声由于光子发射是随机过程,因而势阱中收集的光电荷也是随机的,这就成为噪声源。这种噪声源与CCD传感器无关,雨取决与光子的性质,因而成为成像器件的基本限制因素。该噪声对低光强下的成像有影响。②暗电流噪声在正常工作的情况下,MOS电容处于未饱和的非平衡态。然而随着时间的推移,由于热激发作用而产生的少数载流子使系统趋向平衡。因此,即使没有光照或其它方式的光注入情况下,也会有暗电流的存在。与光子发射一样,暗电流是一个随机过程,因而也成为一种噪声源。如果每个CCD单元的暗电流大小不同时,会产生不希望的图形噪声。暗电流是大多数成像器件的共性,是判断器件好坏的重要标准。为减小暗电流,应采用缺陷尽可能少的晶体和减少玷污。暗电流和温度有关,温度越高,热激发产生的少数载流子越多,暗电流也就越大。因此采用相机致冷技术可以有效地改善噪声污染情况。③胖零噪声包括光学胖零噪声和电子胖零噪声。前者由使用时的偏置光的大小决定,后者由电子注入胖零机构决定。④输出噪声由于输出电路中复位过程中产生的热噪声。⑤俘获噪声在SCCD中起因于界面缺陷,在BCCD中起因于体缺陷。二者相比,BCCD中的俘获噪声小。此外,器件的尺寸不同和间隔不同也会成为噪声源,这种噪声靠光刻技术改善。3.动态范围由定义,动态范围的数值可以用输出端的信号峰值电压与均方根噪声电压的比值表示。单位为dB。CCD相机的动态范围一般为50”80dR。高分辨率的CCD相机,由于像素数目的增加,导致势阱可能存贮的最大电荷量减少,因为动态范围会变小。在高分辨率的条件下,如何提高动态范围是高性能CCD相机的一项关键技术。2.3.2灵敏度灵敏度是CCD最为重要的参数之一。它有两种物理意义。一是表示光电器件的光电转换能力,与响应度意义相同。对于给定芯片尺寸的CCD来说,其灵敏度可用.12. 第二章CCD传感器介绍光功率所产生的信号电流表示,单位可为纳安/勒克斯(nh/lx)、伏/瓦(V/W),伏/勒克斯(V/ix)、伏/流明(V/lm)。勒克斯(1x)是光度学中光辐射能流密度的单位,其转换式为:]W/m2=20ix。另一种是指器件所能传感的最低辐射功率(或照度),与探测率的意义相同。单位用瓦(W)或勒克斯(1x)表示。2.3.3光谱响应该参数表征CCD对于不同的波长光线的响应能力。CCD接收光入射的方式分为正面光照和背面光照两种。由于CCD的正面布置有很多转移电极,电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射式的低。即使是透明的多晶硅电极也会因为电极的吸收,以及硅一二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光的干涉现象,出现明暗条纹。2.3.4分辨率分辨率是图像传感器的重要特性。CCD图像传感器采用自扫描方式,每个光敏单元都被隔开一定的距离。因此,CCD的光电转换实质上是由空间上分立的光敏单元对光学图像的抽样。光敏单元呈周期性排列,假设要摄取的光学图像是沿水平方向光强(亮度)为正弦分布的条状图像,经CCD光敏单元进行光/电转换,所得的信号在时间轴方向也是正弦波信号。由奈奎斯采样定理,CCD的极限分辨率是空间抽样频率的一半。因此,CCD原分辨率主要取决于CCD芯片的像素数。其次,还受到传输效率的影响。高度集成的光敏单元可以获得高分辨率。但光敏单元的尺寸的减少将导致灵敏度的降低。2.4小结本章对CCD传感器做了比较详细的介绍,讲述了光电荷的产生、存储、转移、输出,掌握了解CCD的工作原理,分析了CCD主要的参数特性。对CCD器件的工作原理是正确设计相机驱动电路的保证:对CCD器件性能的了解是选择CCD器件的前提,也为保证相机研制水平提出了性能指标上的参考。-13- 第三章CCD相机第三章COD相机相机实际上就是一个光电转换装置,它将图像传感器所接收到的光学信号,转化为计算机所能处理的电信号。相机性能通过分辨力、噪声等参数来度量。3.1成像器件的比较光电转换器件是相机的核心单元。目前,典型的成像器件有真空电视管、CCD、CMOS图像传感器等。3.1.1真空电视摄像管它由密封在玻璃管罩内的摄像靶、电子枪组成。摄像靶主要完成光电转换和电荷存贮功能,即把输入图像的光照度分布转换为靶面相应位置的像素电荷的空间分布;电子枪则完成图像信号的扫描拾取过程。真空电视摄像管具有高清晰度、高灵敏度、宽光谱和高帧速成像的特点,但其体积、重量、功耗均较大。3.1,2CCD传感器和CMOS传感器互补性氧化金属半导体CMOS(ComplementaryMetal.OxideSemiconductor)和CCD一样,同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。二者都是20世纪70年代发展起来的新型半导体光电成像技术。CCD的成像原理如第二章所述。CMOS的制造技术和一般通用芯片没什么差别,主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体,使其在CMOS上共存着带N极(带负电)和P级(带正电)的半导体,这两个互补效应所产生的电流即可处理纪录,解读成影像。CCD和CMOS都是集光电转换、电荷存贮、电荷转移、信号读取于一体的,是典型的固体成像器件,二者具有相似性。与真空电视摄像管相比,他们都具有无灼伤。无滞后、低电压工作、体积小、功耗低的特点。但CMOS和CCD两者性能也有差别,主要特性比较如下:①成像过程:CMOS与CCD采用的光敏材料相同,光电转换的原理也相同。但是读出方式二者不同:CMOS图像传感器经光电转换后直接产生电流电压信号,CCD以电荷包的形式进行存贮及转移。其信号的读取需多路外部脉冲驱动,系统电路相对复杂。 第三章CcD相机②集成性:CMOS图像传感器可以将光敏元阵列、信号读取电路、A/D转换电路、图像处理电路、接口电路及控制电路等集成在一块芯片上。而对于CCD来讲,由于和CMOS工艺的不兼容,难于将时序发生器,驱动电路及信号处理电路集成。CCD的制作工艺不利于相机系统的微型化。③噪声:CMOS传感器集成性高,但各元件、电路之间的距离较近,干扰比较严重,图像噪声较大。而且CMOS的太容易出现杂点,这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时,由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。CCD技术较为成熟,制造中采用PN结或二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对CMOS相机较高。④功耗:CMOS图像传感器只需一路电源(3~5V),其功耗仅为CCD的I/10;而CCD一般需要多路电源,功耗较大。⑤成像质量:CCD成像质量好,灵敏度高、解析度高、耗能高、信噪比高;CMOS成像质量较CCD差,容易出现杂点,灵敏度低、解析度低。⑥价格:CCD一般较昂贵。而CMOS成本便宜。近年来,在很多家用小型设备上应用广泛。3.2CCD相机的相关特性参数3.2.1分辨率分辨率是衡量相机对明暗细节分辨能力的一个指标。相机的分辨率可以通过空间频率或者TV线两种方式来测量。如果把一个CCD图像传感器的一半面积遮蔽,以空间频率表示相机的分辨率,其值不变。若以Tv线表示的话,则分辨率降低为原来的一半。相机的分辨率是受到很多因素的影响,如光源的光谱,镜头的F数等。3.2.2最低照度最低照度是衡量CCD相机的灵敏度的一个重要指标。表示当环境光照度降低至一定程度,而使CCD相机所输出的视频信号电平低至某一规定值时,所对应的环境照度。当环境照度降低,CCD相机所输出的视频图像的像质将难以保证。CCD相机的最低照度与所使用的镜头的最大相对孔径有关。.1S. 第三章CCD相机3.2.3固定图像噪声当不采用曝光控制时,转移栅结构的非一致性将导致栅极电位的微小变化。同时,栅极限制电阻也使栅极电位产生微小的变化,从而使光电二极管在每一积分周期的开始产生微小的电位差。因为栅极结构的特性是固定的,因此这些微小的电位差称为“固定图像噪声”(FixedpatternNoise)。当采用曝光控制时,光电二极管的初始电位由复位管的基极决定。如果基极电位较先前的电位有所提高,则将会引入一定量的电荷。即使在零照度的条件下,这些电荷也会通过转移栅传输于CCD寄存器。我们可以用隔直技术从输出通道中去除这些直流信号,但是,转移栅的非一致性将会产生直流偏置,且这一偏置在像素与像素间并不相同,从而使提高了固定图像噪声。固定图象噪声可以通过非均匀性校正电路或采用软件的方法进行校正。3.2.4扫描方式扫描方式分为隔行扫描和逐行扫描,异步触发和部分扫描。隔行扫描方式是由广播电视系统发展起来的扫描方式。相对帧频较低时(30Hz)可以提供较清晰的图像。它从一帧图像的顶部开始扫描,相机在第一个半帧时间里读出所有奇数线,在第二个半帧的时间里读出所有偶数线。在一个时间里只变换半帧图像,可以减少图像的闪烁。但是,因为相邻的线是在不同的时间扫描的,因此任何移动的物体的奇数线和偶数线的位置可能会不同,从而影响成像质量。逐行扫描既是从一帧图像的顶部到底部以自然顺序进行连续扫描。当CCD相机处于异步触发模式方式时,相机并不是以固定时钟逐行扫描和输出连续信号的。而是在接收到一个触发信号后,在开始扫描输出新的一帧信号。此功能适用于生产线上快速运动目标的瞬间图像采集。部分扫描是指CCD相机读出的数据小于它的满帧数据。由于数据量相对较少,.相应的读出时间要少,从而提高了帧速。在高速图像采集系统中,把这两种方式结合起来很有用。比如,一个物体只占一帧图像的上部的1/4,即连续扫描相机只用1/4帧时就能采集图像。采用部分扫描方式,在相机采集完上部的1/4图像时,进行异步置位重新采集下一帧。从而,相机的帧频提高4倍。3.2.5接口方式-l霰^, 第三章CCD相机实现数字相机和外部的通讯接口,通常采用国际通用的标准接口。目前比较流行的有:CameraLink,LVDS(EIA.644),IEEEl394,RS422等。①CameraLink是适用于视觉应用数字相机与图像采集卡间的通信接口。标准的CameraLink电缆提供串行通信信号线、视频数字线和相机控制信号线。串行信号线为2路LVDS;相机控制信号线为4路LVDS。在串行通讯线中,相机和图像采集卡必须支持9600波特率的传输。视频数据线包括4路信号线:FVAL(帧有效信号)、LVAL(像素有效信号)、DAVL(数据有效信号)、SPARE(保留位)。②LV'DS(LowVoltageDifferentialSignaling)是一种小振幅差分信号技术,使用非常低幅度信号(大约350mV)通过一对差分PCB线对或者平衡电缆传输数据。它允许单个信道传输率达到每秒数百兆比特(Mbps)(可以达到400Mbps的速率传输),其低电压和低电流驱动实现了输出的低噪声和低功耗。LVDS驱动器由一个恒流源驱动一个差分对组成。接收器有很高的DC阻抗。几乎全部的驱动电流将经100欧的终端电阻并在接收器输入端产生大约为350mV的压降。当驱动状态反转时,流经电阻的电流方向改变,于是在接收端产生了一个有效的“0”或“1”的逻辑。③IEEE1394接口为Apple公司开发的串行接口标准,又称Firewire接口。IEEE1394接口能在计算机和外围设备间提供100、200、400Mbps的传输速率。该接口不要求Pc端作为所有的外设的控制器,不同的外设可以直接互相通信。利用IEEE1394的拓扑结构,不需要集线器就可以连接63台设备。IEEE1394b接口规范可以实现800Mbps和1.6Gbps的传输速度的高速通信方式。④RS422是数据信号传输的电气规范。这一标准采用双绞线,以不同的模式对同一信号进行传输。当某一信号为高的时候,另一信号必须为低电平。在RS422规范中,高电平为3V,低电平为0。为了降低噪声,双绞线必须满足电缆阻抗为100欧,并具有110欧终端负载。3.3小结本节主要比较了CMOS和CCD器件的性能,从分辨率、噪声、扫描方式、接口等方面介绍了CCD相机的相关特性。 第靼章CCD成像系统黯控制电路第靼牵CCD成豫系统的控制电路典型的CCD相机通过辘槭光学接口,将疆栎的光学信号成像到CCD传感器瓣光耩添上。在驱旗电路翰佟用下,CCD传感器完成光信号的光电转换、存储、转移和检测过程。信号电路接收来自CCD的一维的电信号,进行采样、AGC(蠢动增益控制)、A/D转换等联处理,然后进行视频合成,即按所需的视频格式输出。这既蹙典型的ccD相枫的工作漉程。4.1ccD相机的醺{学绪枣奄4。1.1典墼e∞相机电路组戒典型的CCD相机电路硬孛}框謦魏隧4.1示;圈图4-1ccD耀规磋{牛结构CCDsgnsor是系统的核心元{牛,英功能是产生与入射光的光谱辐射量度成线性关系的光电荷;弗在转移时锋躲冲的作用下,实现光电荷的存贮、转移及输出。驱动电路主要为CCD提供所需的驱劫脉冲;同时,还为信号娃理电路提供籍位,复舍阕步,复合濮隐,采朔,绦持等躲冲信号。ADC电路完成视频模拟输出的采襻和模数转换。在本系统中CCD传感器将电旖信号转换为电雁信号输出,输嬲信母较小,需-l采。‘ 第四章CCD成像系统的控制电路先通过增益控制单元放大信号,再由ADC(模数转换器件)电路完成模拟信号的采样和模数转换。ADC转换得到的视频数字信号流交由信号处理单元处理。信号处理电路主要完成CCD输出信号的AGC(自动增益控制)、外部接口电路的同步及曝光等控制信号的接收实现,同时完成视频信号的存储、数字显示、标准视频信号的合成及模拟显示功能。外部接口电路主要接收来自外部的控制信号(场同步信号、曝光控制等),并反馈至信号处理电路。同时接口电路还将各种时序驱动和图像(数字和模拟)输出,从而可被图像采集卡用于实现图像采集控制。光学机械接口:主要提供与各种光学镜头的机械连接;一般分为F型,C型,CS型。电源单元提供CCD的电源管理。要实现CCD芯片的驱动及控制,一般需要多种不同的电源电压,电源系统是比较复杂的。为简化外围接口,通常相机外部只提供一路一路电源输入。4.1.2COD相机系统单元电路总体分析系统的工作流程如下:晶振时钟送入FPGA,经分频、倍频后产生系统需要的各种时基信号。FPGA在外部场同步信号脉冲VB、曝光时间控制信号的控制下开始工作,产生CCD工作需要的各种驱动脉冲信号,送入电平变换电路,把TTL脉冲信号电平变换到满足CCD驱动管脚需要的脉冲信号。电平变换电路需要的各种电平由电源管理模块提供。CCD输出的模拟电视信号经过滤波、放大等预处理,送入A/D转换器,变换为数字图像信号分两路输送:第一路送入FPGA,经过数字滤波等处理后,和场同步、行同步、像素时钟一起送出相机。供下一级系统或图像采集卡使用。第二路存入图像存储器,FPGA读取后进行标准视频信号的合成,经D/A转换、视频同步叠加、整形后成为标准模拟视频信号,送到外部接口。根据对CCD成像芯片性能特点和相机功能结构的了解,将CCD相机系统划分6个功能模块,由4块PCB板组成相机的成像控制电路。设计的难点在于各模块之间信号的通信、模拟数字混合电路的设计、模块之间信号的通讯及接口方式;同时CCD驱动的实现设计也是难点。设计的重点在于保证CCD输出的模拟小信号不受外部高频信号及其它信号的影响,从而保证CCD图像信号质量。下面主要讨论系统各部分主要器件及其功能实现。 第四章CCD成像系统的控制电路4.1.2.1OGD图像传感器1.图像传感器的基本指标:CCD图像传感器选用加拿大Fly技术有限公司的CCD512一BI芯片,它是一种背照式高灵敏度、帧转移型、两相驱动、带可调增益的CCD芯片,基本指标如下:·有效感光面积:8.192mm×8.192mm;·感光区有效像素:512(H)X512(V);·像元尺寸161.tm×16pm:·附加暗参考列数:24;·附加过扫行数16;·转移方式:2相帧转移方式·信号检测方式:电流输出,2路输出放大器:大信号和高增益·最高像素时钟:芯片提供两组输出模式:大信号输出和高增益输出。大信号输出端最高频率15M,高增益输出端4.删·最高帧频:以15M像素时钟,大信号输出端计算CCD512-BI每行:有效512十暗参考2×12+过扫单元2×16=568每场的行数:有效512行+暗参考2×8=528最高时钟15MHz,一帧转移的时间为:T=去淞×(568×52驴19.9936ms理论最高帧频:f=1/T=50.016Hz(注:理论最高帧频的计算,时间T没有包括曝光时间,因为在芯片的时钟转移波形中,可以在存储区向外读出的同时进行CCD的曝光。时间上可以包含,故在计算时没有考虑曝光时间。)2.芯片介绍CCD512.BI的结构见图5.2。其管脚功能描述如下:·_2B一 第四章CCD成像系统的控制电路·—LBo-∞3-∞1●∞2-∞4oaoSHDD■1m2I毫d■1lla,3d■I毫LS皇SooLoDL2l多忐●墨一1B2墨7,●.^一一一一存储区_o_1_2I,一一读出荤元一圈4-2CCD512--B!芯片引脚及结构示意图1脚:ABD,Anti—Blooming-Drain,抗光晕泄流控制;2~5脚:I@l~I州,感光区驱动时钟脉冲:6脚:OG,OutputGate,输出门控制:7脚:OSH,Output-Source—Hi曲,高灵敏度图像信号输出;8脚:DD,Dump.Drain,转移储漏极控制:9~11脚:R曲1~R03,像素转移读出脉冲;12脚:oRL,ResetforLargesignal,大信号输出复位脉冲;13脚:SS,Subs订ate,衬底电压14脚:OSL,Output-Source-Large,大信号图像输出;15脚:ODL,Output·Drain-Large,大信号输出漏极电压;16脚:R@2I-IV,大信号输出增益调节控制脉冲;17脚:RODC,复位漏极控制:18脚:SS,Substrate,衬底电压:19脚:(空)20脚:RDL,大信号输出复位漏极;2l脚:DG,DumpGate,读出门控制;22脚:(bRH,高灵敏度输出复位脉冲;●oS_cb3S∞tScad2Sm4oDH■1DHm■●HDG11DLSSn∞DCR∞2HV 第四章CCD成像系统的控制电路23脚:RDH,高灵敏度输出读出漏极;24脚:(空)25脚:ODH,高灵敏度输出漏极电压;26~29脚:S壬1~S壬4,感光区到存储区的转移驱动时钟脉冲30脚:IG,感光栅控制。电路PCB设计时主要关心芯片附近的滤波抗干扰问题。在驱动程序的设计中,主要考虑CCD的时钟驱动信号,包括帧转移驱动脉冲IOl~I垂4、SOl~S04,像素转移脉冲R圣1~R圣3,复位脉冲壬RL,壬RH,输出增益调节控制脉冲R圣2HV。驱动信号的时序设计有严格时间控制,程序中还有解决下面两个难点:①CCD512一BI采用了两相转移脉冲加快帧转移速度,为了确保每行的图像信号能干净、完全地转移,帧转移脉冲信号的后沿需要进行一定的平滑处理,可在模拟电路中实现。②除了CCD驱动脉冲信号,FPGA还要提供视频信号后续处理所需要的箝位脉冲、CDS采样脉冲、A/D转换控制等脉冲信号,所有的脉冲控制信号之间的时序关系均非常严格。要考虑CCD驱动时序和其他控制信号时序的关系问题。4.1.2.2系统控制与驱动脉冲产生器系统控制和驱动单元采用FPGA技术实现。采用Xilinx公司SpartanIIE系列的XC2SSOOE芯片,30万系统门阵列,最多高达329个用户IO口,分布式RAM(DistributedRAM)98Kbits,块RAM(BlockRAM)64Kbits,FT256封装。该器件由于使用BGA封装,体积小,可以适应相机控制电路小型化的需求。IO口丰富,它能负责实现所有系统逻辑电路的功能,包括对RAM操作的控制逻辑、CCD驱动脉冲产生、标准视频信号数字合成逻辑、图像数字滤波等。4.1.2.3时钟电路时钟电路产生基本时基信号,送入FPGA,经整形、分频、倍频后供系统使用。4.1.2.4CCD驱动信号电平变换电路CCD传感器在按照一定时序的高低电平的作用下,可实现光电荷的产生、转移和输出。FPGA技术可以方便得实现对时序进程的修改,满足转移电极上脉冲信号.22- 第四章CCD成像系统的控制电路的时序要求。但FPGA产生的CCD驱动脉冲信号是3.3V的TTL逻辑信号,CCD的驱动信号却需要多种不同的电平,因此FPGA控制脉冲不符合CCD成像芯片转移脉冲电平幅值的要求。在二者中间必须经过电平变换,而且还要保证在较高频率(最高15MHz)时的信号质量,转换电路要有良好的抑制信号过冲、振铃等现象的能力,确保CCD芯片能送出高质量的图像信号。4.1.2.5视频信号预处理包含差分放大、滤波、视频驱动、直流电平调整、CDS相关双采样、ADC等部分。4.1.2.6视频显示电路将模拟输出信号合成为标准PAL制电视信号以便于监视图像。合成PAL标准视频的电路单元包括存储器、D/A转换、同步头叠加与放大电路等,形成的视频信号送监视器显示。存储器由是两组512×16bit的SRAM组成,分别交替存储两帧图像。SRAM和D/A等电路的控制单元由FPGA逻辑实现。4.1.2.7输入输出接口电路采用差分接收电路接收外部电路的输入信号:场同步信号VB,串行的曝光时间控制信号。同时差分电路将12bit的数字图像信号,行同步VS、场同步Hs、时钟信号CLK进行差分处理后送出。4.1.2.8电源管理为了能得到高质量的输出信号,CCD芯片各种驱动信号的电平往往各不相同。通常CCD芯片需要多种不同的电源电压,所以电源系统是比较复杂的。为了简化外围接口,外部提供给相机的电源种类一般较少。本系统需要外部提供一路+12V/3A电源,其他内部电压均由它经过电压变换电路产生。电压变换电路包括升压电路、降压电路、直流稳压转换。产生输出有:一5V、一6V、一12V、+5V、+8V、+14V、+25V、+45V,采用的变压方法有Dc—Dc变换和直流稳压变换。基于PWM(PulseWidthModulation脉宽调制)的开关变换原理,在输出电压中往往存在较大的高频谐波干扰,因此需要进行仔细的滤波整流。DC-DC电源电路以.23. 第四章CCD成像系统的控制电路DC—DC芯片为基础进行设计,目前几家大的DC.DC器件厂家包括Linear、Micrel、Maxim等。在电源部分的电路设计中,要解决的问题还有PCB布线,需要处理好高频开关信号的串扰。4,2CCD相机的机械结构为了便于安装使用,CCD相机的外观必须规则、轻巧,机械封装结构紧凑。在样机设计阶段可以适当放宽尺寸,便于调试。相机外观结构见图4—3,机壳尺寸为50x60x100mm,光学系统到CCD靶面的后截距为标准的17.526mm。图4-3CCD512。BI相机外观结构相机内电路板的布局安排根据机械结构而定,参见图4.4,由四块电路板组成:PCBl至PCB4。PCB3通过90度转接插头分别和PCBl、PCB2连接;PCBl和PCB2之间有少数的飞线连接(电源线)。PCB4和PCB单排插针连接。四块板的结构和功能为:PCBl:数字处理扳。包含FPGA、2组SRAM、ADC、DAC、标准模拟视频信号合成电路。PCB2:电源管理板。包含多路CCD电压产生与滤波电路,外部电源输入接口。PCB3:CCD驱动板。包含CCD芯片、CCD驱动信号电平转换电路、模拟视 第四章CCD成像系统的控制电路频信号放大与调理电路。PCB4:差分电路单元。包含数字图像信号的差分驱动和外部的差分信号的接收。图4_4CCD512.BI相机电路板布局图PCB设计中,为了保证保证成像在CCD靶面的中心,CCD前面板的设计要配合光学机械设计,保证CCD成像芯片的感光中心和成像光学镜头的中心对准。4.3主要电路功能实现方法分析4.3.1DC-DC电源变换4.3.1.1DC-DC变化原理DC.DC转换器是转变输入电压到有效输出固定电压的电压转换器。DC.DC转换器分为三类:升压型DC—DC转换器、降压型DC-DC转换器以及升降压型DC.DC转换器。通常输出的电压和输入的是不同的,DC-DC器件还需提供噪声隔离等。1)Step—down模式L图4-5DC—DC降压模式.嬲.—__—●l\l娥IRm≮,T,,T、凼,乜ffTIME图4-6电压和电流的转变关系 第四章CCD成像系统的控制电路如图4—5,当三极管处于开状态ON时,Vin将被加到电感L的一端。Vin电压将会引起电感电流的增加。当三极管处于断开OFF状态,电感的电流不会突然改变,电流会通过二极管回路继续保持流动。如果假设流过电感的电流没有到达零值,则vx端的电压值就是在当三极关处于断开的整个OFF周期,导入N---级管两端的电压(如果电流为零,则和电容两端电压有关)。Vx的平均值依赖于三级管ON周期提供给电感的电流。(这种情况电感的电流是连续的。)考虑电感电流变化的一个周期来求解VxVx-Vo:Ldi(4一1)出而电流满足下列方程:di=肌确净+』(vx一,o)dt(4-2)On谚当处于稳态时,电流在一个T周期的开始和结束时刻的大小是不变的。因此,为了得到电压间更简单的关系,我们假定在0N周期和开关瞬间,三级管和二极管之间都没有电压泄露,则,我们简单的得到在oN周期,Vx=Vin,在OFF周期,Vx=0。因此上面的积分式子变为:0=di=J::”呖一砌Ⅻ+e聊(一Vo)dr(4-3)化简得:(Vin一勋1×ton—Vo×toff=0(4—4)即:Vo/Win=ton/T(4-5)定义占空比为D,D=ton/T。则Vo=Win×D。因为我们已经假设回路是无损的,因此输入和输出的功率守恒,所以又有等式Iirl=IoXD。(Vo×Io=Vin×Iirl)(4—6)当电路电感电流会到零值时,输出的电压波形如图4—7.其他假设仍和前面相同,则Vx在电感电流到达零值时,一个周期T。电感的平均电压值满足陋咖+(一喊丁=o-26-电压值为Vout。分析(4-7) 第四章CCD成像系统的控制电路图4—7电流和电压关系Voutd(4-7)式化简得:面2了万(4—8)因为d+占。<1,为求解以考虑输出电流,认为输出电流为峰值电流时,和在d+占。周期的平均值相等。Iout=—IL—(pie—ak)×(d+万d)(4—9)在二极管导通周期电流的变化,有t仞印国:墅塑T(4-10)由(4—9),(4一lo)得:lout=!!!!i掣(4一11)由(4—8)lout=百VindSeT(4—12).2LIout解出以:%2—Vinx—dT(4—13)带回(4-8)得输入输出:黑:—熹(4-14)md2+f呈丝]lVinxTJ定义系数.i}=羔,由图4—7可以看出不连续电流对电压输出比值的影响大小。Plnl 第四章CCD成像系统的控制电路Vo“Vink+OItPItCurrent图4—7:电压和电流的曲线关系图由图4—7,当输出电流足够大,输入输出电压比值仅仅和开关占空比值d有关。而电流很小时,电感电流的不连续性有使输出达到Via的趋势。2)升压模式VL____l\..|’、~唧cT)R弋啊TT、,T錾,t0开、(Ⅵn_vo)图4-8升压模式的电路实现①及电压电流关系图TIME调整电感,开关元件和二极管的位置如图,构成升压模式的DC—DC。如图4—8示。当处于ON时,Vx=Vin。当开关关闭时,电流流经二极管,理想状态下认为压‘28- 第四章CCD成像系统的控制电路降为零,故有VX=VO。采用和step—down相同的分析可以求出具体的电压解。这里不作详细的分析。升压模式也可以用下面的方式实现。如图4-9。图4-9升压模式的电流实现②4.3.1.2电源芯片LTl073LTl073是凌特公司(1ineartechnolgy)的DC-DC器件,它可以提供固定+5V输出(LTl073—5),固定+12V输出(LTl073-5),和可调电压输出。它不需要对外围电路的其他设计,只需通过调整外部电阻比值调整输出电压。输入工作电压从1V一30V,可以提供升压降压模式,还可以输出负电压。封装为8脚PDIP,体积小。芯片功耗低,比较适合小型掌上设备、相机等作为电压模块。1)芯片介绍LTl073的管脚及内部功能模块图如4-10示:图4—10LTl073芯片及内部模块ILIM(Pin1):普通模式时,该管脚和VIN直接相连。需要限流时,在此端和VIN端直接接一电阻。220Q的电阻可以将开关电流限制在大约400mA左右。VIN(Pin2):电压输入端.29:k( 第四章CCD成像系统的控制电路SWl(Pin3):电源晶体管的集电极端。在升压模式(step-upmode)时,与电感/二极管相连。降压模式(step.downmode)时,与Vin管脚直接相连。SW2(Pin4):电源晶体管的发射极。在升压模式(step—upmode)时,与地相接。降压模式(step—downmode)时,与电感/-极管相连。此管脚的电压必须比肖特基二极管对地的压降低。GND(Pin5):地。AO(Pin6):附加增益块(GainBlock(GB))输出管脚。开极,可用吸收100uh的电流。SET(Pin7):增益块GB的输入。GB是芯片内置的运算放大器,其正输入端和SET脚相连,负输入端和212mY的参考电压相连。FB/SENSE(Pin8):在可用调节输出的LTl073中,该管脚和比较器的输入相连。在固定5v输出(LTl073—5)和固定12V输出(LTl073—12)的片子,此脚和内部构成电压设置的电阻相连。从LTl073的内部结构看,它是门控振荡开关器件(GatedOscillatorSwitcher)。因为只有反馈脚的电压幅值跌至低于参考短电压值时,开关才工作,因此它只需极小的电流,其功耗很低。由图4一lO,比较器A1比较FB反馈端和212mV参考电平的电压信号。当FB低于212mV时,A1打开19KHz的振荡器。驱动放大器(Driveramplifier)放大信号驱动NPN晶体管Ql。振荡器内部开关设置为38肛s开(ON),15gs关时间(OFFtime)。对于升压模式,优化的输出是routa3xVIN。比如1.5V输入,5V左右输出为最优。其他的输出电平,在最大可获取的输出能量上都会有些轻微的损失。A2是多功能增益放大单元,它既可以作为低电压检测、线性单元基准、或驱动因低电压而停机电路等。A2的负输入端在器件内部和212mV参考源相接。从VIN到地之间的一个外部电阻提供A2的跳闸点(TipPoint)。在ILIM管脚和VIN之间接电阻是为了调整开关最大电流的。2)升压模式的实现及器件的选择.掏w 第四章CCD成像系统的控制电路图4-11LTl073升压模式的实现在该模式中,SW2接地,而SWl驱动电感。其输出电压值由下面公式确定:‰=(212mV)(等+1)(4_15)对于外围器件的选择符合以下条件,以满足电路要求。①二极管:在为LTl073选择二级管时,主要考虑速度和漏电流(1eakagecurrent)、最大反方向电压。常用的IN4001在此处不适合(耐压值不够,漏电流偏大),采用IN5818肖特基二级管。②电感:电感是DC—DC变化中能量的储存器件。选择电感要求选择有较小但是足够的电感量来存储能量。要有低的直流阻抗以减小电压热损耗。要求有很小的EMI(eleGtm-magneticinterference)③电容:不选择普通的铝电解电容,因为铝电解电容的ESR(equivalentseriesresistance)和ESL(inductance),很.大。钽电容的特性好于铝电容,采用。3)降压模式和负电平模式的实现LTl073可以实现升压、降压、正电源到负电源的转换。根据前面DC-DC的基础知识,我们知道可以通过调整开关元件(内置的三极管)和储能元件(外置的二极管和电感)的位置实现降压设计。如图4-14,4-15。 第四章CCD成像系统的控制电路图4一14降压模式图4—15正电源到负电源的转换在降压模式,SWl接Vin,用SW2驱动电感。其输出电压也由公式4~15确定。LTl073也可以配置成正电压变换至负电压,或者负电压转换到正电压。正电压到负电压的转换如图4一15,和降压模式相似,只是反馈电路的R1和电感相连的一端是接地的。这样的参考电平改变了输出的极性。在这种正变负的输出方式中,要求Voutl必须小于6.2V。4.3.1.3电源板的布线电源模块中利用了储能元件,而电感对周围器件存在电磁影响。整个电源单元器件较多,为便于屏蔽的实现,将电源模块集中在一个电路板上实现。在布线时尤其考虑了电感周围磁力线的分布特点来安排布局。电感的磁力线呈闭合曲线,在电感的两端,磁力线密度最大,因此在这个位置布局上尽量没有器件和走线,有效的防止了把元器件的电磁干扰引入系统中。4.3.2.CCD驱动信号电平转换电路FPGA产生的3.3v的TTL逻辑电平,不能直接驱动需要+12V至0V等脉冲驱动信号的CCD成像芯片。需要电平转换电路构建从TTL逻辑到CCD驱动脉冲电平的转换。电平转换可以通过专门的电压转换芯片实现。但是,市场上提供的CCD驱动电平转换芯片很少,通常这类芯片也是专业大厂家为各自特定的CCD相机制造的,通用性不强。不同CCD成像芯片的驱动信号电平一般不同,转换的速率各 第四章CCD成像系统的控制电路有差异,同时满足转换电压和转换频率的器件更是难于寻找,而且专用驱动芯片成本昂贵,不易定购。因此电平转换电路主要依靠采用分立器件自主设计实现。电路设计的主要的问题是确保电平转换后的信号波形质量和驱动能力。在实现中提出了两种设计方案:①基于运算放大器的放大电路。其优点是调整灵活,输出信号质量较好;缺点是输出信号幅度越高,带宽越低,超过30V以后,运放的带宽很难达到1MHz。而且满足高电压输出的运放很少,成本较高,很难满足本系统CCD驱动要求。—:_图4—16基于运放的脉冲信号转换电路②基于FET场效应差分对管的推挽电路其优点是成本较低,信号带宽可达几百MHz;缺点是采用了较多的分立器件,电路分布参数不易控制。FET对管开关参数不对称造成的开关噪声大,发热量上升,开关速度越快,越难保证输出信号质量和功耗指标。采用分立器件构成推挽电路实现CCD驱动的设计见图4一17。设计的关键在于利用晶体三级管进入开关饱和状态下,其输出达到极限输出电平,即电源电平来实现。选择有高速开关速度特性的三极管实现对控制频率的要求。用FPGA产生CCD时序控制信号,当控制信号处于上升沿时,02导通,饱和时输出电压为Vec2;信号处于下降沿时,Q1导通,饱和时输出电压为Vccl。要实现三极管的迅速饱和,就要提高基极电流,则基极电阻R1,R2根据调试应用情况要减小。采用隔直技术实现交流信号的控制。为满足CCD的驱动要求,晶体管的开关速率要求是控制脉 第四章CCD成像系统的控制电路冲工作频率的10倍以上,晶体管栅极与发射极间的耐压值为所施加电源电压的√j倍以上。Q1和Q2挑选对管,相同的开关速度和放大倍数可以保证信号质量。图4—17CCD驱动单元电路中推挽单元采用这种驱动单元将FPGA送出的TTL逻辑信号转换成相机工作要求的+45V至OV、+7V至--5V,+12V至OV等驱动脉冲,满足了CCD对驱动脉冲频率和幅值要求,设计成本低。4.3.3CDS电路CCDsensor输出模拟信号经采样/保持电路进入A/D转换。因为CCD传感器在输出每个像素点的信号前都采用了一个复位脉冲进行复位,这样在光电二极管的输出信号中,既包含有光敏信号,也包含有复位脉冲电压信号,它形成一种频率较低的噪声,称之为KTC噪声。为了克服KTC噪声,我们采用了CDS(CorrelatedDoubleSampling)相关双采样技术。因为KTC噪声在一个像敏单元信号的读出过程中变化很小。若在光电信号的积分开始时刻f-和积分结束时刻f:,分别对输出信号进行采样(在一个信号的输出周期中,产生两个采样脉冲,分别采样输出信号的两个点),并只提取两者的信号差:AU2uQl)一u(t2),因在f,~f:期间复位电压不变,则△u中就不再含有复位电压,既消除了复位电压引起的噪声。实现方式如图4.18所示,由FPGA"-34-- 第四章CCD成像系统的控制电路生成控制信号t卿和SHD,在其上升沿分别采样CCD输出,最终输出为二者之差。和传统的采样方式相比,CDS不仅去除了KTC噪声。同时还可以去除在两次采样间隔中的共模噪声、互相关的低频噪声。对实际系统信号输出测试噪声的改善效果十分明显。 i◆一h_哳。:节|静1£L竹掣≯耐忡I下1L;1|卜响。(”叫卜_t一悟钿竹三|c2=1帅5‘l“。1r]『-一闺4.18相关双采样原理波形和原理图在实际调试种,SHP、SHD和CCD的像素输出转移脉冲R壬1~R垂3、像素复位信号零R之间有严格的时序关系,在程序设计实现时是特别的重点。4。3.4AD转换的实现4.3.4.1ADC器件的分类和几项指标以计算机为平台的电子技术,要求模拟世界的信号首先通过模数转换的方式进入数字世界进行处理。ADC(数模转换器件)是模拟到数字的桥梁纽带,其首要任务是将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号。ADC器件根据其工作方式的不同可以分为积分型、逐次比较型、并行比较型、∑一△(Sigma/delta)调制型、电容阵列逐次比较型、压频变换型等。评判ADC的几个重要指标是:①分辨率(Resolution):指数字量变化一个最小量时的模拟信号变化量。定T,义为满刻度与2”的比值,即Q=:暑。N为ADC器件的位数。二②转换速度(ConversionRate):指完成一次从模拟到数字转换所需时间的倒数。有人习惯上将转换速率在数值上等同于采用速率,采样时间则是指两次转换的t垂§5. 蔓婴兰旦望盛堡墨竺塑篓型皇堕间隔,采样速率必须小于或等于转换速率。转换速度常用单位是Ksps和Msps(kilo/MilionSampleperSecond)。③量化误差(QuautizingError)是指由于A/D的有限分辨率而引起的误差。即有限分辨率A/D的阶梯状转移特性曲线和无限分辨率的理想A/D的转移特性曲线之间的最大偏差。通常是一个或半个最小数字量的模拟变化量,表示为1LSB,1/2LSB。④偏移误差(OffsetError)指输入信号为零时而输出信号不为零的值。⑤满刻度误差(FullSereError)满度输入时对应的输入信号和理想输入信号的差值。⑥线性度(Linearity)指实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移。4.3.4.2AD转换器件VsP2272VSP2272是TI公司一款专为CCD图像传感器、数字相机等设备设计的AD器件。它包含可编程增益放大器(PGA:ProgrammableGainAmplifier),增益范围为一6dB到42dB;采样器使用相关双采样(CDS:CorrelatedDoubleSampling)设计,可以有效地消除KTC复位噪声和低频噪声:可编程暗电平箝位可以配合不同CCD的扫描速率完成AD转换。转换器输出为12一bit数字输出,最大28M转换速率,低功耗(3.3V时94mW,旁路模式仅6Ⅲw)。1.主要管脚功能及使用介绍:CCDIN:CCD模拟信号输入。因为传感器的直流偏置电平通常较高,所以一般采用0.1uF隔直电容耦合方式连接。B[1l:0]:12位数字输出信号。ADCCK:ADC转换时钟。正常工作时,默认9个时钟周期完成转换。SLoAD:串口写信号。SCLK:串口时钟信号。SDATA:串口数据信号线。REFP:AD正参考电平,通过电容旁路到地。典型值1.75V。REFN:AD负参考电平,通过电容旁路到地,典型值1.25V。BYP,BYPM,BYPP2:内部参考电平(禁止作为外部电路电源用)。-§6- 第四章CCD成像系统的控制电路—CLP—DM—SHP—SHDSLOAD端u‘SDATA丽ADCCKDRVDDVcc图4—19VSP2272模块和管脚图SHP:相关双采样参考电平采样脉冲。SlID:相关双采样数据电平采样脉冲。西:两丽:哑像素筘位脉冲。RESET:复位信号。采用异步复位方式。有效时所有内部寄存器恢复默认值。COIl:光学暗电平箝位回路参考。CLPOB:光学暗电平箝位脉冲。2.VSP2272步p部串口VSP2272的可编程增益控制、光学暗电平箝位等都是通过串El访问内部寄存器实现的。三根串口控制线分别为:SLOAD、SCLK、SDATA。其时序关系如图示 第四章CC'D成像系统的控制电路s⋯]!;r一Ⅵ⋯,阜—f十娜~卜懈,,叫sc一]H]h}1一hrtn佃-j‘—1tlu‘D}寸叫ls一二二)}<三型D二)二二K三)Cb—————————一2Eb,t·t——————————————一图4—20VSP2272串口控制逻辑当SLOAD为低时,串口操作有效。SDATA提供寄存器的地址和控制字,为2byte。在SCLK的上升沿写入片内寄存器。寄存器地址和控制字如表4一l示:表4—1VSP2272寄存器和控制字REGISTERSTEST肥A1舶D11D10∞DBD7D6D5D4D3D2D1D0Configuration0O00O0OO00000O0COPGAgaIn00O10OG9G8G7G6G5G4G3G2G1G0OBdamplevel001000O0000O03020100CIocI(poIarl坤O0110O000O0O0P2P1POOutputdelayO1000000000000J1J0Reserved0101XXXXXXXXXXXXReseedO110XXXXXX×XXXXXReservedO111XXXXXXXXXXXXReserved1XXXXX×XXXXXXXXXX:保留字CO:芯片工作模式(co=oi常;CO=l旁路模式)G【9:O】:PGA增益控制O【3:0】.可编程暗电平箝位水平P[2:o】:时钟极性设置J[1:O】:附加输出延时控制3.模数转换电路·3鑫一。 第四章CCD成像系统的控制电路图4-21VSP2272实现电路图4-21是运用VSP2272对CCD模拟输出信号的相关双采样并AD转换的电路图。可以看,出,VSP2272的外围电路很简单,只有几个电容器件。CCD器件的模拟输出信号一般很小,我们在相机输出信号后面直接采用一级运放电路放大。CCD信号一般有很大的直流偏置电压,在信号送入AD器件前采用隔直技术耦合。管脚COB的旁路电容C4的容值,CLPOB的脉冲信号的时序(由FPGA控制生成),与暗电平嵌位参考有关,调试中根据CCD信号周期调整;SHP、SHD也根据CCD像素时钟调整以达到AD转换的最佳效果。REPN和REPP为芯片的参考电平,其电压决定CCD模拟信号的幅度范围,使用中不可利用这两个管脚提供其他器件的电平。4.3.5数模转换的实现4.3.5.10/A转换器件的分类和指标通常D,A器件是由电阻阵列和n个电流或电压开关构成的。按数字输入值切换开关,产生比例于输入的电流或电压。一般说来,电流开关的切换误差要小于电压开关切换的,DAC大多数采用电流开关型电路。电流开关型电路如果直接输出生成电流,则为电流输出型D/A转换器。直接输出电压,则为电压输出型D/A转换器。如果D/A转换器中使用基准电压输入加上交流信号的,当其将数字输入和基准电压输入-毒9- 第四章CCD成像系统的控制电路相乘后结果作为输出的,称为乘算型D/A转换器。D/A转换器的主要技术指标有:①分辨率(Resolution):指最小模拟输出量和最大模拟输出量之比。②建立时间(SettingTime):是将一个数字量转换为稳定模拟信号所需的时间,既是转换时间。其他的指标还有线性度(Linearity),转换精度,温度系数,漂移。4.3.5.2AD9764及其运用AD9764是TI公司的一款高性能、低功耗、14山itCMOs数模转换器,支持125MSPS的数据更新率,属于电流输出型DAC,满电流输20ma。其功能方框如图4.22。AD9764内含一个1.2V的片内参考电压和参考电压控制放大器,所以可以通过简单的调节一个外接电阻来调节满电流大小。满电流大小的调整范围是2mA至lJ20mA。AD9764有一个能提供总电流为20mA的大的PMOS电流源阵列。4-SV图4—22AD9764功能方框图该电源阵列被31等分组成高8为(DBl3至UDB5),其余的低五位由具有相同的权电流源完成。用电流源来实现高位和低位有助于满足DAC的高输出阻抗(如>100硷)的要求。所有这些电流源都通过PMOS差分电流双掷开关“掷”到其中的一个节点上,如IoLrrA或IOUTB。这些开关阵列基于一种新的结构,极大的改善了信号的失-●B, 第四章CCD成像系统的控制电路真。AD9764的模拟部分和数字部分分别由两个独立的电源提供电压,电压的范围是2.7v一5.5V。数字部分能工作到125MSPS,含有边沿触发锁存器和分段解码电路。模拟部分含有PMOS电源流、联合差分开关。图4—23显示了AD9764的电路连接。其中D11~D0为从RAM读出的数字图像数据。AD9764为14位,目前我们的图像为12bit,故将AD9764的低两位直接接地。AD9764的第28脚接数字锁存时钟,时钟频率与数据读出频率一致。数字图像经数模转换器AD9764转换为模拟图像信号(电流信号),并以差分的形式从21脚(正)和22脚(负)输出,通过电阻RB3、RB4(24Q)将电流信号转换为电压信号送入差分运算放大器u2,从而将差分电流信号转换为单端电压信号。跨接在两电流输出端2l,21脚间的电容CB8具有低通滤波的功能,考虑到带宽的影响,该电容容值不能太大,系统用470pF。图4-23图像DAC与同步混合图中U2、U3四运放器件EL2450的两个放大器。单端图像信号信号从U2的输出端输出,与FPGA送来的反相复合同步信号进行混合,U3接为反相比例放大器的形式,混入的同步信号的强弱经过电位器RPB2调整。电位器RPBl用来调整混合后视频输出信号的太小。同步混合后的视频信号送入低通滤波器和字符叠加部分,然一410 第四章CCD成像系统的控制电路后通过直流偏置调整将视频信号的消隐部分调整到OV。如果视频信号幅度不满足1Vp—P,可以调整RPBl,最后变为标准的视频信号输出到监视器,完成图像的显示。4.3.6差分接口电路相机采用数字模拟两种输出方式。模拟输出信号是将AD9764的模拟信号经运放、同步混合等电路后的模拟信号的显示。对于数字信号的传输,则采用的是差分技术实现的。差分信号是通过一对信号线来传输,其中一个信号线上传输的是通常理解的信号,另一个信号线上是等值的但相位相反的信号。通常采用的单端模式的信号传输方式,信号经由一个零电压的电路(即地参考信号)来返回。而差分模式中,两个信号都要通过地电路返回,由于每一个信号等值反相,所以返回电路就简单的互相抵消了。高速设计通常适用差分信号,和共模单端信号相比,差分信号有以下几个优点:①时序得到精确定义。这是由于控制信号线对的交叉点要比控制信号相对于一个参考电平的绝对电压值简单。②差分信号并不参考它自身以外的任何信号,并且可以严格的控制信号交叉点的时序,所以差分电路相比于常规的单端信号电路,可以工作在更高的速度。③差分电路的工作取决于自身两个信号线的信号差值,他们等值反向。同周围的噪声相比,得到的信号就是单端信号的两倍。所以,在同样条件下,差分信号具有更高的信噪比。④差分信号对于存在于电源或地平面的噪声信号是不敏感的。对于EMI和信号之间的串扰耦合也有一定的抗干扰能力。因为差分布线非常紧凑,外部耦合噪声会同等程度的影响差分对。所以耦合噪声成为“共模”噪声,差分电路由于回路的抵消,可以克服共模噪声干扰。同时,差分信号中每一条信号线的对外的辐射等值反向,所以对外的EMI辐射很小。关于差分技术有不同的标准。本文采用的是LVDS(Lowvoltagedifferentialsignaling)技术标准。它是一种小振幅差分信号技术,使用非常低幅度信号(约为350mv)通过一对差分PCB走线或平衡电缆来传输数据。它允许每个信道的传输率达到百兆比特/每秒。它特有的低振幅及恒流源模式(标称值3.5mA)驱动只产生极低的噪声,消耗非常小的功率。有两个关键标准定义LVDS:ANSI/TIA/EIA和IEEE。一42· 第四章CCD成像系统的控制电路较通用的是ANSI/TIA/EIA一644标准。此标准定义驱动器输出和接收器输入特性。在系统设计中,采用国家半导体公司的DS90C031和DS90C032芯片组成差分的发送和接收电路。DS90C031将FPGA发送来的12位数字图像信号和场同步、行同步、时钟信号转化为差分对发送。DS90C032接收外部的同步控制和曝光控制信号,并传送给FPGA实现控制处理。本节是论文的重点部分。本节首先介绍了相机的硬件电路组成,然后重点介绍TDC-DC变化、CDS、ADC、DAC、接口电路的原理和实现。 第五章基于FPGA的控制电路时序设计第五章基于FPGA的控制电路时序设计5.1FPGA简介FPGA(FieldProgrammableGateArray)器件,是80年代中期出现的一种用户可编程门阵列集成电路,是倍受现代数字系统设计工程师欢迎的最新一代系统设计器件。随着现代数字系统设计的发展,现代数字系统对数字器件提出了大容量、高速度、现场灵活可编程设计的要求。FPGA器件的产生正适应了这种要求,它将半制定的门阵列电路的优点和可编程逻辑器件的用户可编程性结合在一起,使其不仅包含大量的门电路,具有高速度,还使设计的电子产品达到小型化、集成化和高可靠性,用户的可编程性大大缩短了设计周期,减少了设计费用,降低了设计风险。FPGA厂家已经将DSP技术融入FPGA的设计制造中,在Xilinx的Sparten-3及Vertex一4产品中已经采用最新的90nlrl工艺,并设计了硬件乘法器单元,提供DCM时钟管理单元,提供电阻的自适应匹配功能,使得FPGA在数字图像处理等高速运算场所能更好的应用。FPGA厂家和许多第三方提供成熟的IPcore支持。IPcore包括数字信号处理、图像处理、数学运算、存储器件等各种功能单元的设计。使用IPcore极大的简化了设计难度,满足客户快速、高效、优质完成设计的需求。和市场上流行的另一种可编程逻辑器件CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice复杂可编程逻辑器件)相比,FPGA是细粒结构,这意味著每个单元间存在细粒延迟。如果将少量的逻辑紧密排列在一起,FPGA的速度相当快。但FPGA是“寄存器丰富”型的(即其寄存器与逻辑门的比例高),而CPLD是“逻辑丰富”型的。CPLD更适合逻辑密集型应用,如状态机和地址解码器逻辑等。而FPGA则更适用于CPU和DSP等寄存器密集型设计FPGA从结构上主要由三部分组成:可编程逻辑块CLB(ConfigurableLogicBlocks),可编程输入输出模块lOB(Input/OutputBlock),可编程内部连线PIC(ProgrammableInterconnect)。设计输入是以从概念到网表的方式来完成设计的。它可以用原理图编辑器、硬件描述语言HDL或两者结合起来设计输入:其中硬件语言目前以VHDL和VerilogHDL最为流行。硬件描述语言的设计步骤包括以下三个方面: 第五章基于FPGA的控制电路时序设计功能仿真:功能仿真也叫前仿真,它的目的是在器件实现之前判断逻辑是否正确,由于没有用到实现设计的时序信息,所以此时的仿真延时基本上忽略不计,处于理想状态。它可以较快较早地纠正设计中的错误,这是十分重要的一步。目前主要采用的功能仿真软件有Mentor公司提供的Modelsim。设计实现:设计实现接受设计网表并且产生适合于器件的位流文件。这个过程一般由程序自动进行。它包括XNF转换、设计合并、规则检查、移去无用或冗余逻辑等。设计输出:设计输出是给可编程逻辑器件加载逻辑功能,大致有两种方式,一种是通过设计输出口(串口或并口)直接将位流文件(BIT)加载到可编程逻辑器件芯片内。另一种则是通过PROM器件加载。将内容存储在PROM芯片中,可编程逻辑器件芯片再从PROM中读取信息。前者多用于对CPLD的加载;而FPGA的加载,因为FPOA芯片掉电后芯片中的信息同时也丢失,所以多采用上电后通过PROM加载方式来提供数据。系统加电时,芯片开始初始化,从PROM中读取信息,这样芯片就具有了逻辑功能。FPGA芯片和PROM之间的配置模式有串行、并行等多种,通过对三个模式输入端M0、M1、M2的编码来进行加载模式选择。5.2VeriIog发展及其优点VerilogHDL语言最初是由GatewayDesignAutomation公司于1983年为其模拟器件产品开发的硬件建模语言。Verilog作为一种便于使用的语言在1990年被推向公众领域。OpenVerilogInternational(OVD是促进Verilog发展的国际性组织。1992年,OVI努力推广VefilogOVI标准成为IEEE标准。1995年,Verilog语言成为IEEE标准,称为IEEEStd1364.1995。Vefilog的优点有:①与其他的硬件描述语言相比,VerilogHDL具有更强的行为描述能力,从而决定了它成为系统设计领域最佳的硬件描述语言。强大的行为描述能力是避开具体的器件逻辑结构,从逻辑行为上描述和设计大规模电子系统的重要保证。除此之外,Verilog并不十分关心一个具体逻辑是靠何种方式实现的,而是把开发者的精力集中到逻辑所实现的功能上。②Verilog采用类似高级语言的语句格式完成对硬件行为的描述;语言包括基本逻辑门,如and,or,nand,开关级基本结构模型如pmos,limos;提供3种不同方 第五章基于FPGA的控制电路时序设计式或混合方式的设计建模。(这些方式包括:行为描述方式⋯使用过程化建模;数据流方式一使用连续赋值语句方式建模;结构化方式⋯使用门和模块实例化语句建模。)Verilog具有丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性,随时可对设计进行仿真模拟。③移植性强。Verilog语句的行为描述能力和程序结构在决定了它在不同的设计阶段和平台之间能采用同样的语法,具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能,这可降低整个系统的成本。符合市场需求的大规模、高效、高速的要求。5.3FPGA功能实现FPGA是系统信号处理单元的核心器件,它形成CCD控制时序,并控制平台上SRAM、ADC等器件,把得到的数字图像信号存储、AD转换等;完成显示视频的合成(生成同步等控制信号)。接收外部接口控制指令实现相应操作并送出数字信号和其他图像信号。这里主要讨论三部分控制操作的实现,即:CCD控制时序的形成、PAL标准视频合成和RAM操作。5.3.1CCDsensor控制时序的产生CCD在外部垂直、水平驱动脉冲的作用下,实现光电荷产生、存贮、转移及输出。其时序如图5.1示。其操作过程主要包括积分周期、帧转移周期,行转移周期。CCD512.BI面阵式相机采用的是两相帧转移方式。感光区转移驱动时钟脉冲IOl、I垂2与I垂3、Icb4反相;感光区到存储区的转移驱动时钟脉冲s垂1、S壬2与s西3、s圣4在帧转移期间为反相关系。时序上,当积分结束时,I圣1、I垂2进入高电平,坤3、Icli4持续为低,I中1、I垂2为高的状态要求持续大于10us。帧转移结束后,SqSl、S西2与S壬3、s圣4进入行转移周期,此时S01、s母2与s圣3、s垂4先后产生一个高电平脉冲信号,标志新的一行光电荷信号开始转移到输出通道等待读出。CCD512一BI的读出端口设置如图,此时在ROl、Rib2、Rib3管脚施加脉冲信号,OG门、RD管脚施加固定电平,图像信号通过输出门实现信号的检测。垂R为复位信号,在每次输出图像信号之前提供一个反相的大信号实现输出信号的复位。.觞。 篁至童茔王!堕垒塑塑塑皇堕壁壁堡盐E×AMPLEFRAMETlM●NGDIAGRAM。””sa。广]r|r]厂酞几n{≈sm*s一一广]r]r]酞]几厂]{≮图5-1CCD帧时序图FigureEXAMPLELINETIMINGDIAGRAM(OperationthroughOSL’厂]、、厂]一>1Im>1Im一F-1厂]‰dom:@Ⅲ∞h厂]厂≈+厂]厂]i一门门n≈{厂]厂]r]s—nn几n厂1门酞r]r]r]厂1nnnr]n图5-2CCD行转移时序-47- 第五章基于FPGA的控制电路时序设计oUTPUTCIRCUITSCHEMATIC(OSLandoSHAmplifiers)R彰{R甜2R留3OG必RFtDOD图5-3CCD输出结构图由时序图分析可知CCD的操作流程包括积分(曝光)周期、帧转移周期、行读出周期。其通常的流程如图5-4。当CCD进入工作状态后,分析时序图,积分周期的控制时钟和行读出的控制时钟是无关的,所以在行转移读出周期也可以积分曝光。当两个状态都结束则进入下一次的帧转移周期。改进的流程如图5.5示,这样的操作可以有效提高CCD帧频,使其适应更多的应用场合。图5—4通常的CLDsensor操作流程图5-5改进的CCDsensor操作流程在采用Verilog设计控制时序时,因为积分周期和行读出周期是同时进行。我们把过程称为两个独立相关的状态INTEGRATION和FRAMETRANSFER。分别设定各自标志位,为高时标识在当前状态,为低标识操作结束时设计。采用计数器判断是否完成了转移脉冲个数或延时,完成时清除标志位。-48- 第五章基于FPGA的控制电路时序设计程序FRAME状态又分为I中(I中、I中2、I中、I中)和R中(R巾1、_TRANSFER 134R中2、R中3)两个状态。设定2个状态标志位(flag)。由于时序要求帧转移前I中1、I巾2高电平持续大于10№,而相机也是通过置位I中1、102高来结束积分周期的,所以I中周期内又包含两个步骤:曝光时间和10№延时。曝光结束进入lOPs延时,延时结束,认为I中周期结束,置flag=O。同理,在R中周期中要求的延时设计也是按上述方法。当I中和R中都结束后,才进入下一次的INTEGRATION状态。初始上电状态为积分状态。Verilog语言实现状态转换部分的代码如下:parameter[0:1】INTEGRATION=2'b01;parameter[O:l】FRAME_TRANSFER=2’b10;reg[0:l】h_status;reg[0:l】h_status_n;always@(posedgeCCDCLK)beginif(reset==1)h_status=INTEGRATION;elseh_status=h_status_n;end//定义转移和积分2个状态的信号reg[10:0]f_t_cnt=0;//11·bit计数器(帧转移的528个周期)regintece=仍//mbe一>integration积分片选regf_t_cnt_ce=毋//ft-一>frametransfer帧传输片选reginte_clr=0;//寄存器标志位的清除regf_t_cnt_clr=0;reginte_tc2m//statustransferflagbit;regf_tcnttc2o://一状态转换判断——//always@(h_statusorinte_tcorf_t_cnt_tc)oegmcase(hstatus)INTEGRATION:begininte_ce=1:inteclr=0_CCcnt_ce=0:f_t_cnt_clr;1:-49- 第五章基于FPGA的控制电路时序设计tf(intetc==1)hstatusnelsehstatIlsnendFRAME_TRANSFERINTEGRATION:FRAMETRANSFER:begininte_ce=O:inte_clr;1;f-tcntce=1;f_t_cnt_clr;mif(Ct_cnt_tc==1)h_status_n=INTEGRATION;elseh_status_n=FRAME_TRANSFER;endendcase在CCD512一BI成像芯片中,管脚21为DG导出门控制。其时序如图5-6开口‘器TA。藩吕甓捕是掩宇宣NTDHAEI餮苫謦譬:甓金忑景ToDuMP“L‘N8805uNwANT‘D图5-6导出门控制波形圈当DG信号为高,成像芯片将不需要的视频信号屏蔽。此时,读出时钟脉冲R0fR01、R02、R03)持续高电平,而S01、802与S03、S04只进行行转移。-50- 第五章基于FPGA的控制电路时序设计5.3.2PAl_视频信号的合成我们采用标准PAL制式输出作为相机的模拟视频输出标准。PAL(PhaseAlternatingLine)是目前欧洲广泛采用的电视制式标准。其主要扫描特性是:一帧图像的总行数为625行,隔行扫描,分两场扫描,每场312.5行;行扫描频率是15625Hz,周期为64#s:场扫描频率是50Hz,周期为20ms;帧频25Hz,是场频的一半;在发送电视信号时,每一行中传送图像的时间是52.2p,s,其余的11.8#s是行扫描的逆程时间,不传送图像,用作行同步及消隐用。每一场中25行作场回扫,不传送图像,既传送图像的行数每场只有287.5行,因此每帧只有575行有图像显示。5.3.2.1半行计数器PAL制式分两场扫描,每场312.5行,由于存在这个0.5半行,所以在形成行信号的时候,采用每半行生成一个半行计数器比较方便。w儿的行周期为64#s,则半行周期为32#s,频率为1/32/zs=31250Hz。PAL一帧625行,则半行计数1250个,计数器度为11位(10:O)。半行计数器在FPGA内用Verilog可以很方便的实现。半行计数器的输出是形成复合同步信号的重要数据线。5.3.2.2复合同步信号的产生工业电视和广播电视都需要复合同步信号来控制扫描的一致性。复合同步包括行同步和场同步。行同步信号用来控制行扫描的时序,其重复频率与行频一致,为156255Hz,脉冲宽度是4.3#s(广播电视是4.7/zs)。场同步控制场扫描的时序,频率和场频相同为50Hz,脉冲宽度是196#s(广播电视为160/zs)。复合同步信号包含了槽脉冲和均衡脉冲。槽脉冲是为了保证在场同步期间不失去行同步信号,于是在场同步信号上开有五个槽脉冲,其重复频率为行频的二倍,即31250Hz,槽脉冲宽度为4.69s。均衡脉冲是为了避免奇数场与偶数场的场同步信号恢复时积分波形的差异,在场同步脉冲的前后各有五个脉冲。其重复频率也是行频的二倍,脉冲宽度为1.9郎(广播电视为2.35/zs)。复合消隐信号包括行场消隐信号。行消隐的作用时使行逆行程期间的电子束截止,以消除逆程回扫线。场消隐信号的作用是使场逆程器件的电子束截止。行消隐脉冲频率等于行频15625Hz,脉冲宽度为12ps;场消隐脉冲频率等于场.st. 第五章基于FPGA的控制电路时序设计频50Hz,脉冲宽度为1600』ls士12#s。在可编程器件出现以前,通常是靠分立元件产生复合同步和复合消隐信号的。这需要主振、分频、延时、鉴相等单元,相当复杂。现在用FPGA生成却很简单。复合同步的Verilog程序如下。其中h1为半行计数器,其大小范围为O一1249。C为一行像素点计数器,范围为0--639。⋯一半行计数产生一...一always@(posedgeclk)beginif(((hl>=0andhi<=5)Or(hi>=625andhl<=630))and((c>=0andc<=274)Or(c>=320andc<2594)))csy<2’O’;elseif(((M>26andha<=11)or(Mb631andha<=636)or(ha>=619andha<;624)or(hi>21244andha<21249))and((c>20andc<=19)or(c>=320andc<;339)))csy<。’0’:elseif((叫>_12andha<2629)or(ha>=637andha<=1243))and(c>_0andc<47))csy<2’0’:elsecsy<=’1’jend5.3.3帧存储的操作CCD512-BI传感器的图像信号是用逐行扫描方式输出的,输出格式为528(H)×552(V),去除其中的暗电路和过扫信号,有效像素点为512(H)×512(V)。扫描周期随像素扫描频率而改变,最大的像素扫描频率为15M,帧频为50Hz(计算参见第三章)。为了实现相机的数字、模拟显示,采用先将图像存储,然后根据显示制式的不同要求读取图像数据方式实现。在显示图像输出时,还需产生同步嵌位等信号,一同送出。1.帧存储器的选择相机系统的图像采用先存储再读取的方式,要实现显示的正确操作,我们采用两片静态存储器。信号处理单元将DAC转换后得到12bit数字信号顺序存储到RAM中。每一帧存一组RAM,对两组静态帧存储器(存储器I、存储器II)交替读写。一墨奎- 第五章基于FPGA的控胡电路时序设计系统选用存储容量为8Mb(512K×16bit)的异步静态存储器GS78116B。GS78116B是常用的SRAM器件,因其采用异步方式,所以不需要提供时钟控制信号线,外围接口简单,读写操作容易。其数据宽度为16位。2.GS78116B及其读写操作GS78116B只有有三根控制线:片选信号CE、写信号WE和输出使能信号OE(也可认为是读信号)。对RAM的操作是在这三根控制线的作用下完成的,读、写、片选信号真值表如表5-1所示。当读写操作控制信号发生时,就对地址线上给定的存储空间产生相应的操作。控制信号和地址总线都是在FPGA中产生的。片选信号:图像操作中,对两存储器交替读写:即使在某个时期不对sRAM操作,也可以通过将读、写信号置高使SRAM的数据口线处于高态,避免它对其它数据操作的干扰。为简化成像设计,我们将两片SRAM的片选信号一直有效,即则存储器的片选信号应均直接接逻辑‘0’。表5-1TruthTableCEOEW|EDQltoDQl6HXXNotSelectedLLHReadLXLWriteLHHHighz写信号:SRAM的写入操作可以分别由WE和CE控制。因为片选信号固定为低,所以我们通过WE控制写入。写操作的时序图如图5.7所示。数据在WE的上升沿写入指定地址单元。写入操作与OE的状态无关。AddressCEW_EDatain—、乒=帆二习,一Twc:writcc”1clime一7I、_■————■一一卜一Tow.th蛔enabletoendof埘jtc刊蹴兰三声脚Tdw::.毗dm裟‰古tas叫÷twtk■1wP:wll【op哪cwl佣1I乍勰t血’{Tss:fldclfcsssetuptime——+≮=—)L图5—7存储器GS78116写时序关系由FPGA生成写控制信号时,要将筇罾作为时钟线处理,且要求CCD每输出一.53. 第五章基于FPGA的控制电路时序设计个图像信号完成一次写操作,因此,程序设计话面时钟和CCD像素时钟相同。每一帧数据存储一片SRAM,在读出CCD图像信号时,根据CCD行转移周期的开始给出一个CCD帧同步信号,便可用这个信号在每帧存储时交替选中一片RAM。Verilog程序SRAM写控制由帧同步和CCD像素时钟共同构成。⋯一存储器写控制一一always@(posedgepval)⋯pval,像素时钟beginwDc2not((notpal_frame)and(notpval));一palframe,CCD帧同步信号w珂2not(pal_frameand(notpval));end读信号:SRAM的读操作可以通过两种方式实现。其时序关系分别如图5.8,图5-9所示。DabOut—、<忙——/iq‘oH叫]P硎o*n出KXXXX)t疆妇m蝌‰:Readcycletlae沁:Addkc8saCCeSStimelO¨:Outputhold:Fro=addresschange图5-8存储器GS78116当一CE=丽=0时的读时序关系*—。tab.。_I弋F再g1q7-/-/7-妊弦’—1弋熙lff777"/-n鲻k———÷《datlvalid>妊c:Rcsdeyelelimet^^:Addressaccc舒劬々tAc:chipenableactc女timenza卸enabletooutputin10wZt0L乃outputemblctom岫I吐缸lowZtOE:outputenabletooutlIKltvslid田五cbipdisableboutputinhi幽z衄Outputdisabletooutputinhi幽Z图5-9存储器GS78116当—W—E=0时的读时序关系图5.8所示流程简单,但是在FPGA控制时,因为没有有效地址的给出和有效数据的读出没有严格时钟控制,不好判断读数据的时机。我们5-9所示读取操作,通过选用一WE=O,而采用6豆信号作为时钟判断依据来读取SRAM的数据。存储单 第五章基于FPGA的控制电路时序设计元由2片SRAM组成,此时我们读取的RAM一定是CCD没有进行写操作的那一片。因此还是利用CCD帧同步信号,并且为写操作片选信号取反;而读取SRAM的时钟是和相机输出的时钟相同的。在PAL标准视频合成时,我们的像素时钟为10MHz。Verilog程序SRAM读控制由帧同步和图像输出时钟共同构成。要输出队L制式图像,应在场有效信号时才需读取数据,因此读RAM的片选控制信号还要加上VS信号。一⋯·存储器读控制一-always@(posedgeclk)beginrdx。not(pal_frameand(notdk)andVsk一-frame=l,activerdy2not((notpal_frame)and(notclk)andvs);end地址的产生:将地址按分为高位段地址和低位地址操作。高位段地址根据行计数信息更改,在每帧信号同步时复位地址计数器;低位地址根据像素计数信息在clock信号上升沿递加1,在每行的同步信号时复位地址计数器。数据线的控制:由FPGA完成SRAM的读写控制,SRAM的数据线与FPGA可以无缝连接。又因为对RAM的操作为读写操作,对数据口线定义为inout(input、outpm)型。在Verilog中,要实现对定义为inout型正确读操作时,需将管脚加buffer,将其分为input和output两个信号,并在读周期时对该输出线加上拉高电平。否则可能从inout数据线上读到的值并非真实的数据值,而是一些不确定的值。Vcfilog程序如下:一一对存储器双口的读控制一一IOBUFstarel(.I(M1DataA_i[1】),.O(MIDataAo[1]),.T(read),.IO(MiDataA[1]));--bufferalways@(posedgeCLK)beginif(write==1、MIDataA一0。givendata;elseif(read;=1) 第五章基于FPOA的控制电路时序设计M1DataAo=”ZZZZZZZZZZZZ”:5.3.4DAO的控制由第四章4_3.4节ADC的控制需要预写控制字到ADC器件VSP2272片内寄存器中。为了修改的方便,我们使用FPGA片内的RAM资源保存控制字,在FPGA上电时写入。控制字采用.C0e文件保存。其格式如下:memory_initialization_radix=2;MEMORY_INITIALIZATION_VECTOR=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;⋯⋯⋯采用2进制一⋯一ADC串口的控制字5.3.5提高图像质量的设计方法1.自动曝光时间控制在传统光学相机中有快门这种机械装置,它能控制纳入光和投射到胶片所经历的时间。在CCD相机中,我们可以采用自动曝光控制实现和快门同样的操作。在CCD一512BI中,通过控制转移时钟№1、I壬2与伸3、1@4(参见时序图5—1)的电平可以开始和结束CCD的曝光。采用曝光控制,首先考虑是数字信号还是模拟信号,用模拟信号时,可以取输出曲线的包络来作电压基准。如果用数字图像信号来控制,可以考虑用一幅图的背景的平均照度来确定。但是这样做的计算量很大,而且调节慢。为简化算法,可以取中间几行的背景作为整幅图的背景。本系统A/D为12bit,即有4096级灰度,假定取灰度的2/3为判断阈值(约3000),如果计算出的背景照度大于,则减小曝光时间,反之,则增加曝光时间。在实际应用中要根据应用情况背景可以在作调整。o筠二 第五章基于FPGA的控制电路时序设计2.电子抗晕控制当光强不太强时,CCD内的势阱可以存贮全部光电荷,此时为线性范围。当光强继续增大时,因势阱中电荷的存在会产生电场妨碍按线性累积电荷,CCD进入非线性区。如果光强进一步增加,势阱将填满电子,而过剩的电子溢出进入相邻像素,形成串音,使图像出现光晕现象,影响图像质量。解决上诉问题需采用电子抗晕技术。在设计中有两种方法实现:一是改变施加在CCD传感器的ABD(anti--booming)管脚上的电压。二是通过电子曝光时间控制。电子曝光控制的原理为:控制光敏区转移时钟可以控制曝光时间长短,根据对图像背景的亮度分析计算,当超过设定门限值时,缩短曝光时间,反之亦然。电子曝光有效的防止了曝光饱和,减小了光晕和图像模糊。电子曝光的时间可以控制在1/50.1/10000秒之间。5.4系统调试结果目前CCD成像系统调试成功。该相机即可提供标准PAL制式的模拟输出,也可用提供1—33fps非标准制式图像信号;12bit的数字差分输出;具有外同步、内同步两种工作模式:采用电子曝光控制实现抗光晕;实现了高灵敏度相机的要求。相机实物和成像效果图参加图5.10。图5.10CCD相机实物和成像效果图5.5小结本节重点介绍CCD相机的软件控制部分。重点介绍了CCD时序的产生、PAL视频合成、存储器的读写操作;也简单介绍了改善图像质量的控制方法。。57— 第六章结束语第六章结束语6.1论文主要的研究内容和创新点论文研究围绕CCD图像传感器的关键特性和成像芯片的驱动技术展开,重点叙述了成像控制电路的设计思想和实现方案。主要的研究内容和创新点如下:1.CCD传感器成像原理及性能特性CCD传感器是CCD成像系统的核心器件。文章从CCD光电荷的产生,到电荷的存储、输出作了详细的介绍;重点介绍了动态范围、灵敏度、分辨率等CCD图像传感器的重要特性参数;对比分析了目前主流成像器件的差异:分析了CCD相机的相关性能和特征参数。2.针对CCD成像芯片的工作特性,提出CCD相机系统的设计方案由于CCD成像芯片制造工艺与CMOS芯片工艺不兼容,需要外部提供时序发生、驱动、信号处理等功能单元,因此外围电路的设计非常复杂。在驱动电路的设计中,立足整体架构,从功能模块进行设计,既AGC(自动增益控制)、A/D转换、视频合成、CCD驱动、电源单元、接口电路单元模块。采用4块PCB印制板(数字处理板、电源管理板、CCD驱动板,差分信号)完成整体硬件平台。设计中采用分立器件,运用推挽电路完成了CCD脉冲驱动设计。应用CDS技术去除了复位和低频噪声,有效提高了信噪比。采用DC--DC技术满足系统供电,简化了外部电源输入。应用电予抗晕技术及时序流程的改进等提高了相机的性能。3.应用FPGA技术完成系统的外围电路控制藕视频合成采用FPGA技术,运用Vorilog硬件编程语言完成外围电路控制设计,包括RAM的乒乓访问方式控制、CCD驱动信号及时序控制、AGC、CDS时序控制、外围接臼电路控制等。并于硬件平台上调试成功。同时,视频合成显示的程序设计遵循模块化、人机交互友好的思路完成,只需对程序中几个关键参数(同步时钟、曝光时间等)作简单的修改,即能使相机的输出适应其他标准制式或非标准制式的显示要求。基于CCD512.BI芯片的背照式图像传感器已经完成调试。通过测试,具有较好的成像质量。相机的灵敏度较高,对近红外的波长有比较好的光谱响应特性,表现为微弱光情况下有一定的成像能力。研发相机的成功,为将来更好满足工程需求一泰矗, 第六章结束语提供了技术保障。6.2进一步改进的措施后续的工作中,可以从以下方面进行改进:1.改进CCD驱动信号板的布线采用分立器件实现CCD驱动的PCB印制板,由于器件多走线多,PCB尺寸小,模拟和数字信号之间的影响干扰比较严重。模、数信号的混合布线是改进的难点和重点。CCD芯片只提供一个公共端SS,该管脚是芯片内部所有电平的参考点,对整个成像系统而言,相当于芯片的浮置地。在调试中对此管脚作滤波处理会极大的改善图像信号质量。布线中,要加强对ss端的滤波设计,可以将此管脚的电平作电源平面处理。2.改善电源,减小纹波噪声,保证相机电源的可靠电源管理单元采用DC-DC电平转换实现,它有效地简化了电源接口。但是,DC—DC电平转换是靠开关器件和储能器件来实现的,在电路中容易引入噪声。电源单元在设计上不仅要求提供噪声隔离等,还需考虑开关器件的开关频率等特征参数。现在设计中采用的器件开关频率较低,在大电流高速信号通过时,DC.DC器件不能有效完成电平的调接。应更换高速开关电平器件,并加强信号噪声隔离设计,提供稳定电源。同时电源板的布线也需要注意。对于电感周围器件的分布要考虑电感的磁力线的影响。3.改进接口电路的设计为提高相机的通用性及传输性能,CCD相机外部的接口电路可用采用业内标准总线接口方式。比如CameraLink,IEEE1394。4.采用半导体制冷技术,提高相机的信噪比热噪声是提高相机信噪比的一个瓶颈,在要求高信噪比的特殊场合,可以考虑使用半导体制冷技术。半导体制冷是一种利用半导体的所组成的一种冷却装置。冷却技术可以有效地抑制暗电流噪声(暗电流噪声主要受温度影响),有效的提高相机的信噪比。.5§. 参考文献与致谢参考文献【1】王庆有,CCD应用技术天津大学出版社,2000【2]2CCD&CMOS图像和机器视觉产品手册凌云光视数字图像公司2004-12【3]李广军,孟宪元,可编程ASIC设计及应用,电子科技大学出版社,2000【4]J.Bhasker,VerilogHDL硬件描述语言,机械工业出版社,2000—10【5]侯伯亨,顾新,VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计,西安电子科技大学出版社,1998:9-10【6]Beynon.J.D.EandLamb,D.R.(Ed):Charge—CoupledDevicesandTheirApplication’MCGraw-Hill.London,1980【7]AchimGandorfer:Spectralpropertiesofarraysensors【8]EastmanKodakCompany:CCDImageSensorNoiseSource,2001—08【9]9K.DStefanox,T.Tsukamotv,etc.RadiationResistanceofaTwo—phaseCCDSensor,7“InternationalConferenceOilInstrumentationforCollidingBeamPhysics,Hamamatsu,15—19Noverrnber,1999【10】王海涌,基子线阵CCD的长距离传输外总线的设计,21CN电子网,2004.07-02【11]游志刚,张剑云等,分层结构高速数字信号处理系统的设计与应用,21CN电子网,2004.07-02[12]FPGA搞活数字电视,电子产品世界,2002-01.08[13]CCD原理大揭密天极论坛2004-02.04[14]CCD摄像机技术的发展趋势及应用前景天极论坛2004.04—08[15】王华闯,高帧频图像制式转换显示设计技术研究,2002.05[16】罗慧明等,电视技术基础,华南理工大小出版社,1988【17】张健,吴晓冰,LVDS技术的原理和应用,电子技术应用,2000.12[18】TexasInstruments,CCDImageSensorsandAnology—DigitalConvension,1993—01【19】Mohan,UndelandandRobbins,Wiley,“PowerElectroniCS:Convefters,ApplicationsandDesign'’,1989【20】GLedwich.,DC—DCConverterBasics,1998【21]TexasInstruments,VSP2272-CCDsignalprocessorfordigitalcameras,2001[22】AnalogDevices,D/AconverterAD9764,1999【23】LinearTechnology,MicrowaveDC-DCconvenerITl073,2000[24】NationalSemiconductor,$90C31LVDSquadCMOSdifferentialLinedriver,2000 参考文献与致谢[25]XilirLx,Sparten—IIEalluserguiae,2004[26]Flytechnologieslimited,CCD512BIBeckilluminetedCCDsensor,2004[27]GigaSemiconductor,Inc.256Kx328MbAsynchronousGRAM,1999[28]北方网,半导体致冷法选购及安装,2003-11[29]刘文耀等,光电图像处理,北京:电子工业出版社,2003在学期间发表文章背照式CCD成像技术的电路设计,《光电工程》2005年7月。-6l- 参考文献与致谢致谢本课题是在张启衡导师的悉心指导下才得以顺利完成的。在整个毕业设计中,从选题,方案考虑到设计过程中的每一步,每一个细节,都倾注着老师对我的心血,包含着老师对我的辛勤栽培。工程研究既提高了我理论的认知水平,更锻炼了我的实际工作能力。张老师广博的理论知识,丰富的实践工作经验,严谨务实的治学态度和工作作风都给我留下了深刻印象。导师对我学习工作上的指导将使我受益终身。在此,谨表达我对老师的深深敬意和感激之情!三年的学习过程中,室领导给我提供了一个宽松、良好的工作学习生活环境,给予我课题研究所必需的设备和热忱的帮助,使我能够顺利的完成课题,在此表达我衷心的谢意!特别感谢王华闯老师、杨洪老师在工程上对于我的指导和帮助。感谢李晓敏师傅、吴昌桂师傅在日常工作上的照顾。感谢许俊平师兄,感谢欧阳益明、祈小平、欧晓明、陶冰洁⋯感谢五室所有的老师朋友们!谢谢你们!研究生部的各位老师和领导在生活上给了我无微不至的关怀。三年来你们辛苦了!感谢我最最敬爱的家人对我的大力支持。作为坚强的后盾,你们的关爱、鼓励使我得以安心的工作学习,顺利完成学业。这里,还要真诚的感谢两位好朋友。三年前,是你们的鼓励和关心使我顺利考上中科院研究生院。当我遇到困难挫折时也是你们的鼓励使我勇敢起来。谢谢! CCD图像传感器成像技术 作者: 陈俊涛 学位授予单位: 中国科学院光电技术研究所 参考文献(30条) 1.王庆有.孙学珠 CCD应用技术 2000 2.CCD&CMOS图像和机器视觉产品手册 2004 3.李广军.孟宪元 可编程ASIC设计与应用 2000 4.J Bhasker Verilog HDL硬件描述语言 2000 5.侯伯亨.顾新 VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计 1998 6.Beynon J D E.Lamb D R Charge-Coupled Devices and Their Application 1980 7.Achim Gandorfer Spectral properties of ar ray sensors 8.Eastman Kodak Company CCD Image Sensor Noise Source 2001 9.K D Stefanox.T Tsukamotv Radiation Resistance of a Two-phase CCD Sensor 1999 10.王海涌 基子线阵CCD的长距离传输外总线的设计 2004 11.游志刚.张剑云 分层结构高速数字信号处理系统的设计与应用 2004 12.Robert Green FPGA搞活数字电视[期刊论文]-电子产品世界 2001(23) 13.查看详情 2004 14.CCD摄像机技术的发展趋势及应用 2004 15.王华闯 高帧频图像制式转换显示 2002(05) 16.罗慧明 电视技术基础 1988 17.张健.吴晓冰 LVDS技术原理和设计简介[期刊论文]-电子技术应用 2000(5) 18.Texas Instruments,CCD Image Sensors and Anology-Digital Convension 1993 19.Mohan Undeland.Robbins Wiley Power Electronics: Converters, Applications and Design 1989 20.G Ledwich DC-DC Converter Basics 1998 21.Texas Instruments, VSP2272-CCD signal processor for digital cameras, 2001 22.Analog Devices D/A converter AD9764 1999 23.Linear Technology,Micro wave DC-DC converter LT1073 2000 24.National Semiconductor,S90C31 LVDS quad CMOS differential Line driver 2000 25.Xilinx Sparten-Ⅱ E alluserguide 2004 26.Fly technologies limited CCD512-BI Back illuminated CCD sensor 2004 27.Giga Semiconductor Inc 256K X 32 8Mb Asynchronous SRAM 1999 28.北方网 半导体致冷法选购及安装 2003 29.刘文耀 光电图像处理 2003 30.背照式CCD成像技术的电路设计 2005 相似文献(10条) 1.期刊论文 陈治平.陈建设.陈培彬.朱岳超.叶结松 凝视型电荷耦合器件探测器数学模型 -应用光学2005,26(1) 首先分析了电荷耦合器件(CCD)的工作特点和电荷的产生、存储、传输及输出的特征,然后,根据光电理论和探测器的工作原理,由电荷耦合器件的探测 器面阵列图推导出一种军用电荷耦合器件(CCD)摄像机的探测器面阵调制传递函数,最后得到了一定入射条件下探测器元的输出电子数目,这一结果对从理论 上分析这种光电结构的性能具有参考意义. 2.期刊论文 李恩德.段海峰.杨泽平.王海英.张雨东.LI En-de.DUAN Hai-feng.YANG Ze-ping.WANG Hai-ying.ZHANG Yu-dong 电荷耦合器件光电响应特性标定研究 -强激光与粒子束2006,18(2) 电荷耦合器件(CCD)光电输入输出响应特性是其用于光束远近场能量分布测量的重要参数,介绍一种新的标定方法--小孔衍射方法:即利用小孔衍射图像 的零级谱的能量相对分布作为CCD能量的标准参考输入,依据最小二乘拟合准则,根据CCD的灰度输出标定其响应特性.介绍了数据处理方法并完成了校核实验 及误差分析. 3.期刊论文 电荷耦合器件(CCD)在单缝衍射光强分布测量中的应用 -江苏技术师范学院学报2005,11(4) 通过CCD传感技术把光学量--单缝衍射光强转化为电学模拟量,继而进行模数转换,最后用单片机系统进行数据处理,降低光学量测量的工作强度,获得较 高的实验精度,取得较好的实验效果. 4.期刊论文 江继军.罗福.陈建国.JIANG Ji-jun.LUO Fu.CHEN Jian-guo CCD在fs激光辐照下的损伤研究 -强激光与 粒子束2005,17(4) 用脉宽为60 fs、波长为800nm的fs激光辐照电荷耦合器件,研究了电荷耦合器件在fs激光作用下的失效问题.实验得到fs激光作用下电荷耦合器件的失 效阈值为4.22×10-3J/cm2.这比ns激光作用下电荷耦合器件的损伤阈值低2~3个量级.对该器件进行显微观测,在光敏元上没有发现损伤,但在器件的栅极上 发现了明显的激光引起的损伤痕迹. 5.学位论文 何嘉耀 电荷耦合器件及声光可调谐滤光器光谱分析系统的硬件设计及软件实现 2000 该论文回顾了现代光谱检测系统的发展背景.新型的电荷转移器件,尤其是电荷耦合器件的出现,为光谱分析系统的设计带来了革命性的变化.新型色散 元件的出现,也为这类系统的建立开辟了另一条途径.声光可调谐滤光器(AOTF)就是其中一种.论文的主要内容是自装CCD-ICP-OES系统和AOTF光谱仪系统的 硬件设计及相关的软件实现.该研究的主要成果为:1、自行为CCD-ICP-OES设计了驱动及控制CCD器件工作的计算机接口电路.2、为CCD-ICP-OES系统编写基 于MS-Windows98<'TR>的软件系统.3、为了验证CCD-ICP-OES系统的分析性能,实验部分实际采集了6个元素(Mn、Mg、Li、Ba、Ti、V)的特征谱线附近的 ICP发射光谱片断.4、自行设计并组装了AOTF光谱仪系统.5、为了增强AOTF光谱器系统的分辨率,该研究使用了基于Fourier自反卷积的算法设计了专门的应 用程序,这种方法在国内外同类系统中属首创. 6.期刊论文 程开富.CHENG Kai-fu 电荷耦合器件图像传感器在军事成像系统中的应用 -电子元器件应用2002,4(9) 概述CCD图像传感器在各种军用成像系统中,的发展与应用. 7.期刊论文 孙亦鹏.娄春.姜志伟.周怀春.Sun Yipeng.Lou Chun.Jiang Zhiwei.Zhou Huaichun 彩色CCD摄像机三基 色代表波长的试验研究 -华中科技大学学报(自然科学版)2009,37(2) 为了提高基于彩色电荷耦合器件三基色的温度图像检测方法的准确性,提出了一种电荷耦合器件三基色代表波长的试验测定方法,通过加装滤色片获得 不同波长下黑体炉的单色图像,根据对图像中的三基色值和相应单色辐射强度的分析来测定其代表波长,对3种不同型号的电荷耦合器件试验检测,结果表明 代表波长只与电荷耦合器件成像技术有关,不会随温度、电荷耦合器件设置改变而变化.根据测定的波长和国际照明委员会指定的波长,对煤粉燃烧火焰的温 度计算表明两者相差6.34%. 8.学位论文 徐靖 基于电荷耦合器件(CCD图像传感器)的速度检测装置的研究 2002 运动物体速度参数的测量有多种方法,对于不同的对象,可以采取不同的测量方法,该论文着眼于载运工具的速度测量,提出了一种新颖的速度测量方法 :基于电荷耦合器件的速度测量方式.并在此设计思路的基础上,在实验室条件下从硬件、软件等方面进行了设计与实验.其内容分为以下几个部分:1.论文第 一章介绍了电荷耦合器件的工作原理与作用.在此系统中,电荷耦合器件(CCD)是图像传感装置,是所处理的数据的来源,是整个系统的核心.所以对其性能的 要求显得格外重要.该章从其工作原理、性能参数以及应用前景等几个方面进行论述.2.论文第二章从目前实际应用的运动物体速度测量方式着眼,结合该论 文中所提出的基于电荷耦合器件的速度测量方法,讨论了几种常用的载运工具的速度测量方式,包括轮轴转速测量、雷达测速以及卫星定位方式(GPS),总结 了它们各自的优缺点,提出了高性能测速系统的趋势.3.论文第三章首先提出了实现此种测速方式的硬件结构框图,随后详细讨论了框图结构的基本组成和各 部分功能.从CCD输出的灰度图像信号进行处理,信号经过预处理、A/D转换,将数字信号存入帧存储器中,以供处理器进行处理.并给出了相应的原理图及测试 波形.4.论文第四章讨论了数据处理的设计方法及实现.以相关测速算法为基础,利用快速傅里叶变换(FFT)实现的相关算法是软件处理的核心部分.并给出了 软件实现的相关峰移动图形,可以据此求得运动物体的移动速度. 9.学位论文 郭翔 电荷耦合器件(CCD)-ICP原子发射光谱仪的研制 1996 该论文是广东省自然科学基金项目,与广东中山大学化学系共同研制的.该文对电荷耦合器件(CCD)的工作原理、性能及其在光谱分析中的应用作了系统 的介绍,在中国首次研制了一维线阵CCD原子发射光谱议,可一次同时获得22.05nm范围内的发射光谱.对CCD-ICP-AES系统进行数据采集和处理.测量了该光谱 仪对元素的检测限和线性动态范围,结果表明光谱仪性能良好.并利用该光谱仪系统进一步探讨了在基体干扰中的分析,取得了满意的结果. 10.学位论文 宋峰 CCD挠度测量系统的研究 2004 电荷耦合器件(CCD)是一种集光电转换、电荷存贮、电荷转移为一体的传感器件.利用CCD器件本身所具有的自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑、 像素位置准确等特性进行测量时,具有测量精度高、价格低廉、易于维护、操作容易等优点.因此,它可以满足高效率、自动化、动态检测、非接触测量等要 求,在工程实际检测中,尤其是对小尺寸的测量方面具有很强的优势.该文研究运用电荷耦合器件(CCD)进行挠度测量的技术.桁架梁在自重和载荷的作用下产 生的挠度可以用多种位移传感器测得,大部分测量方法需要有良好的基础,在大型桁架梁测量现场,由于桁架梁的运动,难于找到这种基准,加之测量环境局限 ,给挠度测量带来极大的困难.而采用光电荷耦合器件,并利用激光进行远程挠度测量,即可以解决这个难题.该文研究的桁架梁在线挠度监测系统由激光器和 CCD接收系统以及单片机控制系统组成,通过RS232/485转换接口与上位PC机相连.该系统采用日本东芝公司生产的TCD132D型线阵CCD器件为传感器核心部件 ,以INTEL 8031单片机为控制核心,能在比较恶劣的条件下在线检测桁架梁的挠度值.该测试系统具有快速准确、稳定可靠、操作简便的特点,可实现长期连 续测量.该论文主要内容有:1)根据系统需要实现的功能,针对以往挠度测量系统的不足提出改进的挠度测量方案,分析挠度测量原理,在此基础上构建整个测 量系统.2)选择CCD器件、设计CCD驱动电路、单片机系统和控制软件,并对整个测量系统的误差进行分析、最后通过实验对整个系统的关键指标进行验证. 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y811559.aspx 下载时间:2009年10月9日
还剩66页未读

继续阅读

下载pdf到电脑,查找使用更方便

pdf的实际排版效果,会与网站的显示效果略有不同!!

需要 6 金币 [ 分享pdf获得金币 ] 0 人已下载

下载pdf