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        基于CPLD的線陣CCD圖像采集系統(tǒng)

        2012-06-26 06:10:30張志成畢明德孫志剛肖力
        電氣自動化 2012年1期
        關(guān)鍵詞:寄存器電平電荷

        張志成 畢明德 孫志剛 肖力

        (華中科技大學(xué) 控制科學(xué)與工程系信息所,湖北 武漢 430074)

        0 引言

        圖像信號的獲取是機器視覺系統(tǒng)得以實現(xiàn)的前提。CCD(電荷耦合器件,Charge Coupled Device)是70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體光電成像器件,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于影像傳感領(lǐng)域。CCD傳感器分為面陣和線陣兩類:面陣CCD是二維圖像傳感器,可以一次輸出一幅圖像;對于線陣CCD,它直接將一維光信號轉(zhuǎn)換成時序的電信號輸出,一次只能獲得一行圖像信號,但它特別適合于高精度測量和運動物體的行掃描成像,因此在工業(yè)產(chǎn)品的檢測中得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在市場上國外成品線陣CCD工業(yè)相機的價格十分昂貴,占用了機器視覺系統(tǒng)的大部分成本。本文利用線陣CCD設(shè)計了一種圖像采集系統(tǒng),實現(xiàn)了低成本條件下的高速高精度圖像采集,為后續(xù)的機器視覺系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的圖像數(shù)據(jù)。

        1 系統(tǒng)設(shè)計

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

        整體設(shè)計采用CPLD作為處理器,提供各個芯片的時序信號并實現(xiàn)各種控制功能。線陣CCD圖像傳感器TCD1209感光后輸出圖像信號,經(jīng)集成CCD信號處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。為了提高傳輸速度與距離,信號轉(zhuǎn)換為LVDS格式輸出至計算機顯示。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

        2 CCD驅(qū)動設(shè)計

        圖像傳感器是系統(tǒng)的核心,在驅(qū)動脈沖的作用下實現(xiàn)光電荷的轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。本系統(tǒng)對掃描頻率要求較高,故采用線陣CCD圖像傳感器TCD1209。TCDl209是一款日本東芝公司生產(chǎn)的性能優(yōu)良的線陣CCD器件,它具有速度快,靈敏度高,動態(tài)范圍寬,像敏單元不均勻好,功耗低,光譜響應(yīng)范圍寬等優(yōu)點[1]。其像素數(shù)達到2048個,最高驅(qū)動頻率為20MHz,也就是說其線掃描頻率可以達到9K以上,十分符合高速高精度測量的要求。線掃描頻率的計算公式如式(1),因為包含一些無效像素以及行間信號轉(zhuǎn)移時間,線掃描頻率略小于驅(qū)動頻率除以像素數(shù)。

        圖2 TCD1209原理結(jié)構(gòu)圖

        TCD1209的結(jié)構(gòu)如圖2所示。TCD1209的光敏陣列共有2075個光電二極管,其中有27個光電二極管被遮蔽(這些遮蔽二極管輸出的是沒有光照的啞元信號,可以用來進行暗電平校正),中間的2048個光電二極管為有效的光敏單元。每個光敏單元的尺寸為14um*14um。TCD1209只有一個轉(zhuǎn)移柵和一個模擬移位寄存器,屬于單溝道型線陣器件。上電后,光電二極管不斷感光,累積的電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移柵到模擬移位寄存器,再逐個串行輸出,得到模擬的圖像信號。轉(zhuǎn)移柵將光敏區(qū)和移位寄存器隔離,使得光敏區(qū)進行光積分的同時移位寄存器能夠進行信號電荷的轉(zhuǎn)移。

        TCD1209正常工作需要五路驅(qū)動脈沖:轉(zhuǎn)移脈沖SH,驅(qū)動脈沖CR1和CR2,復(fù)位脈沖RS,緩沖控制脈沖CP。各路脈沖必須滿足嚴格的時序要求。脈沖SH控制累積電荷的轉(zhuǎn)移,它的周期即作為行掃描周期。在SH高電平期間,轉(zhuǎn)移柵開啟,像敏單元中累積的電荷并行轉(zhuǎn)移至移位寄存器中,同時CR1必須保持為高電平,RS和CP必須保持為低電平。在SH低電平期間,光敏區(qū)與移位寄存器被隔離,模擬移位寄存器在驅(qū)動脈沖CR1和CR2的作用下,將信號電荷不斷轉(zhuǎn)移,在輸出端得到序列脈沖輸出。SH低電平的時間必須大于2088個驅(qū)動脈沖CR1的周期,才能保證信號電荷被完整輸出。驅(qū)動CR2和CR1是嚴格反向的。每輸出一個信號,便要利用RS復(fù)位一次,以消除信號電荷之間的耦合。

        TCD1209驅(qū)動脈沖的時序較為復(fù)雜,簡單門電路難以實現(xiàn),而可編程器件具有功能強大、可擦除、可靠性高等優(yōu)點,我們采用altera公司的CPLD器件EPM7128S來產(chǎn)生驅(qū)動脈沖。TCD1209驅(qū)動脈沖為5V電平,Vin(min)=4.5V,而EPM7128S輸出電平往往達不到這樣高,所以在EPM7128S和TCD1209之間要加一個74HCT04反相器作為電平轉(zhuǎn)換[5]。采用verilog語言對硬件進行編程,驅(qū)動電路在quartus中的仿真波形如圖3所示。

        圖3 CCD驅(qū)動脈沖仿真圖

        3 CCD信號處理

        CCD圖像傳感器輸出的是一種特殊的離散模擬信號,其中夾雜著各種噪聲和干擾。為了獲取高質(zhì)量的圖像,要在不損失圖像細節(jié)的條件下盡可能消除噪聲和干擾,然后再進行A/D轉(zhuǎn)換,才能得到可用的數(shù)字圖像信號[3]。對CCD圖像信號進行處理最有效的是相關(guān)雙采樣技術(shù)。相關(guān)雙采樣原理如圖3所示。CCD信號每個像素周期可根據(jù)時間分為三個部分:復(fù)位電平、浮置柵電平和信號電平[4]。其中信號電平是我們需要的圖像信息,它反映了對應(yīng)像敏單元的感光強度,光照越強,信號電平越小,與浮置柵電平的壓差越大。相關(guān)雙采樣原理就是用兩個采樣保持脈沖,分別對浮置柵電平和信號電平采樣,再將兩次采樣的信號相減作為輸出信號。由于兩次采樣的噪聲是相關(guān)的,因此噪聲被消除。這樣,在消除噪聲的同時,也提取到了有效的圖像信號。

        圖3 相關(guān)雙采樣原理圖

        CCD信號的降噪、A/D轉(zhuǎn)換等處理技術(shù)對獲得高質(zhì)量的圖像信號有至關(guān)重要的作用,在電路設(shè)計時,如果采用分立元件搭建,調(diào)試難度較大,可靠性不高?,F(xiàn)在很多公司已經(jīng)針對CCD信號處理推出了專用集成芯片,極大地方便了電路設(shè)計工作[2]。在此我們采用AD公司的單通道CCD信號處理器AD9943。它將直流恢復(fù)、相關(guān)雙采樣、暗電平校正、可編程增益放大等信號調(diào)理功能以及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能集成到芯片內(nèi)部,完成CCD信號處理的所有工作并輸出數(shù)字信號。AD9943電路如圖4所示。

        圖4 AD9943電路圖

        AD9943工作需要CPLD提供五路控制脈沖。其中CLPOB用于暗電平校正,需要和TCD1209的啞元信號相對應(yīng);PBLK為預(yù)消隱控制信號;DATACLK為輸出數(shù)據(jù)信號時鐘;SHP和SHD為相關(guān)雙采樣的采樣控制脈沖。SHP為預(yù)采樣脈沖,對CCD信號的浮置柵電平進行采樣,SHD為數(shù)據(jù)采樣脈沖,對CCD信號的信號電平進行采樣,它們的上升沿作為采樣點。采樣求差后的電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器,在DATACLK的上升沿啟動A/D轉(zhuǎn)換。采樣時序如圖5所示。SL、SCL和SDATA為串行控制總線,可以通過它們配置內(nèi)部寄存器以控制信號放大倍數(shù)和暗電平校正幅值。AD9943的AD轉(zhuǎn)換是十位的,本系統(tǒng)應(yīng)用中只取其中高八位。AD9943的工作電壓為3.3V,所以EPM7128S的IO電壓也要采用3.3V 電平。

        圖5 AD9943采樣時序

        4 數(shù)據(jù)輸出

        AD9943輸出的是3.3v CMOS電平的數(shù)字信號,在和上位機通信時還需加上時鐘信號STROBE和行有效控制信號LVAL。CCD信號的頻率較高,本系統(tǒng)中工作頻率為10MHz,為了提高傳輸距離及與圖像處理卡匹配,需將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為LVDS電平。LVDS是一種低擺幅的差分信號技術(shù),它使得信號能在差分PCB線對或平衡電纜上以幾百Mbps的速率傳輸,其低壓幅和低電流驅(qū)動輸出實現(xiàn)了低噪聲和低功耗。

        5 測試結(jié)果

        系統(tǒng)在10MHz工作頻率下采集圖像信號,測試對象為一張普通A4紙,傳至上位機顯示得到的灰度圖像如圖6所示。測試結(jié)果表明,本系統(tǒng)在高速狀態(tài)下能夠正常工作并得到較清晰的圖像。

        圖6 測試圖像

        6 結(jié)束語

        本文介紹了利用CPLD和線陣CCD圖像傳感器進行圖像采集的實現(xiàn)方案,主要討論了線陣CCD的驅(qū)動方法和信號處理技術(shù)。系統(tǒng)實現(xiàn)了高速運動圖像的正常采集與顯示,具有速度快、成本低、可靠性高等特點,為后續(xù)的圖像處理系統(tǒng)提供了穩(wěn)定可靠的圖像數(shù)據(jù)。

        [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]薛旭成.CCD成像系統(tǒng)中模擬前端設(shè)計[J].光學(xué)精密工程,2007,8(8):1191-1195.

        [3]許秀貞.CCD噪聲分析及處理技術(shù)[J].紅外與激光工程,2004,8(4):343-346.

        [4]王華偉.CCD信號處理電路設(shè)計研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,8(16):4153-4156.

        [5]劉蕾.基于CPLD的線陣CCD的驅(qū)動及數(shù)據(jù)采集[J].電子測量與儀器學(xué)報,2006,8(4):107-110.

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