新型數(shù)字CCD相機(jī)及其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡設(shè)計(jì)

摘要：以ＤＡＬＳＡ公司的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)為例，詳細(xì)討論了數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)的接口信號(hào)及其時(shí)序關(guān)系；研究了數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)圖像傳輸卡的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了傳輸卡的電路原理及各部分的實(shí)現(xiàn)方法。
　　關(guān)鍵詞：CCD相機(jī)FGPA圖像數(shù)據(jù)傳輸卡PCI總線
　　
　　隨著ＣＣＤ技術(shù)的發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型ＣＣＤ相機(jī)不斷出現(xiàn)。ＣＣＤ相機(jī)輸出的數(shù)字化，簡(jiǎn)化了相機(jī)與傳輸采集系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)，使數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)正越來(lái)越多地成為實(shí)時(shí)ＰＣＩ控制、數(shù)據(jù)采集、圖形圖像處理、遙感遙測(cè)等系統(tǒng)中的探測(cè)器。這種ＣＣＤ相機(jī)多采用幀轉(zhuǎn)移型體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換速度快，量化精度、量子效率高。準(zhǔn)確理解相機(jī)的接口信號(hào)及其時(shí)序關(guān)系，掌握其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的原理及實(shí)現(xiàn)方法，可大大拓寬數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性。
　　
　　１數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)及其接口技術(shù)
　　
　　在本系統(tǒng)中使用ＤＡＬＳＡ公司生產(chǎn)的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)。該相機(jī)是一種幀轉(zhuǎn)移型的ＣＣＤ相機(jī)，相機(jī)的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機(jī)內(nèi)部采用了相關(guān)雙采樣（ＣＤＳ）、垂直反暈（ＶＡＢ）等技術(shù)，大大提高了相機(jī)的成像品質(zhì)。相機(jī)輸出經(jīng)過(guò)采樣、量化的數(shù)據(jù)，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４Ｈｚ，電子快門。相機(jī)內(nèi)部由ＣＣＤ圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)器、定時(shí)器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換等模塊組成。其接口信號(hào)分為兩類：用戶總線接口信號(hào)和數(shù)據(jù)總線接口信號(hào)。
　　
　　用戶總線接口信號(hào)包括：
　　
　　·ＥＸＳＹＮＣ?觸發(fā)幀讀出信號(hào)，是必備信號(hào)。當(dāng)ＥＸＳＹＮＣ固定接低電平時(shí)，相機(jī)以最大幀速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)ＥＸＳＹＮＣ正負(fù)交替時(shí)，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。
　　
　　·ＰＲＩＮ?像元復(fù)位信號(hào)，為可選信號(hào)。在兩次ＥＸＳＹＮＣ有效之間復(fù)位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時(shí)間。ＰＲＩＮ低有效，在其上升沿開(kāi)始有效曝光。如果ＰＲＩＮ固定接高電平，積分時(shí)間最大；如果ＰＲＩＮ被固定接低電平，探測(cè)器收集不到任何圖像信息。
　　
　　·ＢＩＮ?像元合并信號(hào)，也是可選信號(hào)，可以控制像元合并。像元合并后會(huì)降低相機(jī)的空間分辨率，但會(huì)增強(qiáng)探測(cè)器對(duì)光的敏感性。ＢＩＮ信號(hào)高有效，不用時(shí)將其接為低電平。
　　
　　以上信號(hào)均由應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生，送給相機(jī)，為應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)定相機(jī)的工作模式提供了手段。
　　
　　數(shù)據(jù)總線接口信號(hào)為相機(jī)輸出信號(hào)，包括：
　　
　　·ＤＡＴＡ０～１１?１２位數(shù)據(jù)總線。ＤＡＴＡ０～１１是相機(jī)輸出的、分別對(duì)應(yīng)目標(biāo)某個(gè)像元灰度的１２位圖像數(shù)據(jù)。
　　
　　·ＳＴＲＯＢＥ?像元時(shí)鐘信號(hào)。ＳＴＲＯＢＥ是圖像數(shù)據(jù)的像元時(shí)鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無(wú)效，ＳＴＲＯＢＥ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，傳輸卡應(yīng)在ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ為高電平時(shí)，在ＳＴＲＯＢＥ的下降沿進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存。
　　
　　·ＦＶＡＬ?幀同步信號(hào)。ＦＶＡＬ高電平表明相機(jī)正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。
　　
　　·ＬＶＡＬ?行同步信號(hào)。當(dāng)ＦＶＡＬ為高電平時(shí)，ＬＶＡＬ高電平表明相機(jī)正輸出一個(gè)有效的像元行。在兩個(gè)有效行之間，ＬＶＡＬ會(huì)變低跳過(guò)幾個(gè)無(wú)效的像元，跳過(guò)的像元數(shù)取決于相機(jī)的型號(hào)和預(yù)觸發(fā)設(shè)定。
　　
　　圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正是利用這些接口信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相機(jī)的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號(hào)的抗干擾能力，所有這些接口信號(hào)均按ＲＳ４２２規(guī)范?以差分方式在數(shù)字相機(jī)和圖像傳輸卡間進(jìn)行傳輸，傳輸電纜為１００Ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機(jī)接口信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。
　　
　　當(dāng)ＰＲＩＮ由低電平向高電平跳變時(shí)，相機(jī)開(kāi)始曝光。達(dá)到設(shè)定的曝光時(shí)間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號(hào)變低，觸發(fā)幀讀出。此時(shí)相機(jī)首先進(jìn)行幀轉(zhuǎn)移，幀轉(zhuǎn)移一結(jié)束，輸出信號(hào)ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開(kāi)始，ＬＶＡＬ由低變高表示相機(jī)正輸出有效像元行。當(dāng)ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ再一次變低時(shí)，表示一幀數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，可以開(kāi)始第二次觸發(fā)幀讀出（使ＥＸＳＹＮＣ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉(zhuǎn)移結(jié)束后與第二次幀讀出啟動(dòng)前這段時(shí)間進(jìn)行，曝光時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
　　
　　２數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　
　　在應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的主要任務(wù)是產(chǎn)生相機(jī)工作所需的輸入信號(hào)，解譯相機(jī)的輸出信號(hào)，使相機(jī)在電控方式下工作?并實(shí)時(shí)、正確地抓取相機(jī)輸出的圖像數(shù)據(jù)，在相機(jī)和計(jì)算機(jī)內(nèi)存之間建立硬件傳輸通道。為了適應(yīng)數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，早期基于ＩＳＡ總線的圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正逐步向基于ＰＣＩ總
　　
　　
　　
　　線的傳輸卡過(guò)渡。
　　
　�。玻�１圖像數(shù)據(jù)傳輸卡電路說(shuō)明
　　
　　筆者設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的適用于ＤＡＬＳＡ公司ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ型數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)的圖像傳輸卡的原理框圖如圖２所示。
　　
　　驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)換接口電路對(duì)相機(jī)與傳輸卡間的接口信號(hào)進(jìn)行ＲＳ４２２和ＴＴＬ電平間的相互轉(zhuǎn)換；雙口ＲＡＭ為幀存儲(chǔ)器，經(jīng)編程控制可將相機(jī)輸出的一幀圖像數(shù)據(jù)寫入，或經(jīng)ＰＣＩ橋讀出圖像數(shù)據(jù)至內(nèi)存。采用幀存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)相機(jī)同時(shí)曝光，圖像數(shù)據(jù)分時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)總線寫入內(nèi)存。ＦＰＧＡ?xí)r序發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生雙口ＲＡＭ的地址線、讀寫控制線以及相機(jī)和傳輸卡正常工作所需的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。ＰＣＩ接口芯片是計(jì)算機(jī)與雙口ＲＡＭ及ＦＰＧＡ間的橋梁，在它們之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號(hào)的傳輸，并可通過(guò)初始化設(shè)置，實(shí)現(xiàn)ＰＣＩ協(xié)議提供的各種傳輸模式。
　　
　　２．２ＦＰＧＡ?xí)r序邏輯發(fā)生器設(shè)計(jì)
　　
　　本圖像數(shù)據(jù)傳輸卡采用ＡＬＴＲＡ公司生產(chǎn)的ＦＰＧＡ芯片ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４－１５作為時(shí)序邏輯發(fā)生器。通過(guò)在系統(tǒng)編程（ＩＳＰ）使其實(shí)現(xiàn)一個(gè)２０位計(jì)數(shù)器、一個(gè)１位計(jì)數(shù)器、兩個(gè)鎖存器及十幾個(gè)非標(biāo)邏輯門的功能。其中２０位計(jì)數(shù)器給１Ｍ×４Ｂｉｔ的幀存儲(chǔ)器提供地址；１位計(jì)數(shù)器用來(lái)對(duì)卡上的３０ＭＨｚ時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行二分頻，產(chǎn)生１５ＭＨｚ的ＶＣＬＫ信號(hào)；兩個(gè)鎖存器分別輸出行同步和場(chǎng)同步信號(hào)；邏輯門用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的與、或、非等邏輯運(yùn)算。
　　
　　ＡＬＴＥＲＡ公司的ＭＡＸ＋ＰＬＵＳⅡ編程仿真工具軟件，可對(duì)ＦＰＧＡ芯片進(jìn)行在系統(tǒng)編程、仿真、調(diào)試，大大提高了傳輸卡設(shè)計(jì)的靈活性和對(duì)不同型號(hào)相機(jī)的適應(yīng)能力，縮短了傳輸卡的研發(fā)周期。使用ＡＨＤＬ編程語(yǔ)言對(duì)ＦＰＧＡ芯片進(jìn)行在系統(tǒng)編程，程序文件的主體如下：
　　
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　　ＶＳＹＮＮ＝Ａ１４＆Ａ１５＆Ａ１６＆Ａ１７＆Ａ１８＆ＧＰ５?
　　
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　　２．３多層高速印制電路板設(shè)計(jì)
　　
　　筆者研制的圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的印制板設(shè)計(jì)為四層板，除了頂層和低層外，單獨(dú)設(shè)計(jì)了電源和地層，這是基于ＰＣＩ總線板卡的基本要求。另外，由于卡上的數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)多為高速信號(hào)，在進(jìn)行印制板設(shè)計(jì)時(shí)，還必須注意以下幾點(diǎn)：
　　
　　·ＰＣＩ橋引腳的最大走線長(zhǎng)度限于１．５英寸，ＣＬＫ信號(hào)走線長(zhǎng)度限于２．５±０．１英寸，且只連接一個(gè)負(fù)載；
　　
　　·板上的共享ＰＣＩ信號(hào)線的無(wú)負(fù)載特性阻抗（Ｚ０）應(yīng)控制在６０～１００Ω；
　　
　　·ＰＣＩ控制信號(hào)應(yīng)考慮上拉電阻；
　　
　　
　　
　　
　　·每個(gè)電源引腳都要對(duì)地去耦合，處理開(kāi)關(guān)電流的沖擊。一般跨接０．０１μＦ高頻去耦電容；
　　
　　·采集卡應(yīng)遵守最大引腳電容小于１０ｐＦ的限制；
　　
　　·共享的ＰＣＩ信號(hào)在板上，只能帶一個(gè)負(fù)載。
　　
　　在深入研究了數(shù)字ＣＣＤ相機(jī)接口要求的基礎(chǔ)上，按照以上的設(shè)計(jì)原理，自行研制成功基于ＰＣＩ總線的、適用于多相機(jī)同時(shí)曝光的圖像數(shù)據(jù)傳輸卡。該卡在機(jī)載多波段偏振成像系統(tǒng)原理樣機(jī)中成功地通過(guò)了調(diào)試。測(cè)試數(shù)據(jù)表明，圖像數(shù)據(jù)傳輸卡能夠滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
　　

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