彩色线阵CCD（精选8篇）
彩色线阵CCD 第1篇
随着计算机技术的不断发展,尤其是近几年多媒体技术、彩色图像的应用愈发广泛,较之灰度图像,彩色图像能够更准确表达客观物体,比文字、声音和灰度图像具有更丰富的内涵和更强的表现能力。信息的彩色化发展使得各个学科都在试图利用客观物体本身的色彩特性来更精确、更快速地进行目标的识别和分类,从而获得对客观物体更全面的理解、控制与应用。军事上对图像质量的要求也越来越高,希望能够实现跨设备和不同观测环境下的色彩一致再现,以满足部队作战、训练等的各种需要。因此彩色CCD开始进入人们的视野。
1 颜色几何失真的原因[1]
如图1所示,三条彩色CCD等距的分布在一个焦平面上,由于三条线阵CCD不在焦平面上的一个位置,所以在某一时刻成像时,红、绿、蓝三行信息并不代表地面上同一行的信息,而同一时刻记录的三个彩色分量值对应不同的地物点,如图2所示[2]。R,G两CCD在同一时刻记录物点距离是d。换句话说,同一地物点的三个彩色分量对应着不同的记录时间,因此输出彩色图像的三个彩色分量存在位置偏移,这是由于传感器本身的恒定几何畸变,即系统几何畸变而形成的。理想的情况下,三条线阵应处在焦平面的同一位置,可使图像像素的三个彩色分量对应同一地物点,颜色校正的一个目的就是将平行排列三线阵的图像转化成相同位置三线阵的图像。
因系统设计不可避免的畸变,三条CCD线阵列不可能处在焦平面的同一位置,它们是并排分布在焦平面上的,且它们之间有一定的间隔。这种排列结构使得同一时刻,三条CCD线阵列所捕获的地物目标不同,这必然使合成图像的三个波段图像相对于地面坐标不重合,这种系统本身造成的几何畸变恰与三条CCD线阵列的间隔成正比。这里选择型号是Basler L301KC彩色CCD相机[3]。相机中,R,G,B三个颜色通道的CCD 均位于同一平面,即摄像中的像平面上。三列CCD 平行排列,每列CCD 所含像素为2 048个,像素大小为14 μm×14 μm,相邻两CCD之间的间距为8个像素宽度,即112 μm。
2 针对几何失真的彩色校正方法
2.1 通过棱镜分光校正[2]
由上述对三色错位产生机理的分析可知,错位产生的本质原因是3列CCD感光的不是同一位置的图像,而在还原图像时将其作为同一位置进行处理[4]。因此,如果将同一束光根据红、绿、蓝不同波段进行分离,然后让3列CCD分别感知不同波段的光,这样进行图像合成,就避免了3色错位。棱镜分光装置的基本原理如图3所示。
在棱镜的边缘镀上具有选择波段特性的反射膜,当一束入射光进入棱镜后,在第1个反射面上将蓝色光反射回来,而将其余的光波全部透射出第1个透镜;同理,在第2个透镜反射面上,将红光反射回来,再在第1,2棱镜边缘发生全反射,将红光分离出去;绿光可以直接穿过3个棱镜。同一束光被分开,分别让3 列CCD 同时感光。这种方法从硬件上彻底解决三色错位的产生根源,可以完全消除这种三色错位现象[5]。
2.2 通过异步时钟控制曝光校正
在不改动CCD 硬件的情况下, 可以通过改变其外围电路实现对这种错位的修正[6]。对BASLER L301KC而言,其3列CCD 在同一个像素时钟的触发下。同时进行曝光。由于位置上的差异,同时触发曝光使不同位置的图像同时曝光并合成, 从而导致颜色错位。如果根据颜色错位的行数和物料相对摄像机的输送方向,调整CCD曝光的先后次序和延迟时间,使同一位置的图像分别被3列CCD 感光,然后再合成清晰的图像。
2.3 通过软件校正
上述两种方法均需要对硬件进行设计或改进,在对现有设备进行处理或改进有一定难度的情况下,考虑通过软件实现三色错位的修正。针对BASLER L301KC摄像机,拟采用数据重新定位的方法,实现对三色错位图像进行修正的目的[4]。在CCD所摄数据经采集卡采集后,将红、绿、蓝三分量图像数据分别放进存储器中Mr,Mg,Mb三个独立的内存区中,见图4。在不发生错位的情况下,3列CCD 在同一时钟控制下所采集到的数据在3块内存区中应该具有相同的排列,只是分量不同而已,这样把3块内存数据叠加在一起就完全还原了数据[2]。
假设R,G,B之间的错位各为两个像素,这样同一位置的红、绿、蓝数据在内存中的排列就会有两个像素的间隔。即某一点x沿着垂直于CCD的方向运动时,x点首先被对红色敏感的CCD 感光,并将采集的数据存入Mr中的第一个位置。此时,对绿、蓝光敏感的两列CCD 采集的数据是x点前方两点(绿) 和四点(蓝) 的物体颜色信息,当x点运动到对绿色敏感的CCD感光区域时,该列CCD将该点的数据存入Mg中,而此时x点的绿色分量在内存中所存放的位置就不是在Mg中第一个位置,而是有两个像素的错位;蓝色分量也是如此,它在Mb中所存放的位置较之Mg中又有两个像素的错位。所幸的是这种错位在物体相对运动速度稳定的情况下是固定的,这样在后续图像合成时,改变三分量合成数据的起点,将合成图像所用的数据进行重新定位,即新合成图像中红色分量的有效数据从Mr的第一个位置开始,而绿色分量的有效数据从Mg的第四个位置开始,同理蓝色分量的有效数据从Mb的第七个位置开始(如图5所示)。这样合成的图像就是现实景物清晰真实的图像。
正如上文所说,假设像元有两个像素的错位,这两个像素不是假设出来的,需要根据已知条件对色彩偏移量进行计算。
首先,计算所摄得的错位图像中,R,G,B三个通道数据的真实偏移量,以确定需要校正的像素个数。虽然物平面上相邻两列CCD 所摄位置的间隔始终是8 个像素,但由于在实际检测情形下,摄像机工作的方式为:被摄物体固定,摄像机以一定速度沿垂直于扫描方向匀速运动。故所摄图像中,三个通道数据的偏移量还和摄像机的曝光时间T以及摄像机的运动速度v有关。当摄像机扫描N线所需的时间恰好等于相机运动N线的时间时,称之为摄像机的曝光时间T和相机的运动速度v之间恰好处于正确的匹配关系[7]。此时,所摄图像也恰能正确反映物体的真实几何形貌。v和T这一匹配关系由摄像的放大率ρ决定。设正方形CCD像素的边长为X,则当v和T匹配时,各参数之间满足:
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对于T而言,v相对大些,则摄取到的是在物体运动方向上被压缩了的抽样图像,即间隔地摄取物体某些部分图像,然后组合在一起成为所得到的图像。当然,这样的图像中,丢失了一部分反映物体图像的数据。反之,对于T而言,v相对小些,则摄取到的是在纵向上部分重叠而被拉伸了的图像,形成一些重复的无用数据。但在某些场合下,仍可采用以上两种数据对被摄物特性进行分析,所以并不排除摄像机工作于这两种状态的可能性。当T和v恰好匹配时,在物体运动8个像素(相邻两列CCD 所摄位置的间隔) 距离的时间内,摄像机也恰好扫描了8次,这种情形下,所摄图像中,相邻色彩通道的图像之间,偏移量恰为8个像素的距离,这也就是需要校正的量。假定保持摄像机的曝光时间T不变,并设与T匹配的速度为v0,则令r为相邻两列CCD的间隔距离;u为物距;v为物体的相对速度;l为焦距;t为运动x位移所需的时间;x为相机和物体的相对位移。有下面等式成立:
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联立可得:
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式中:r=8;因此在相机速度为v时,需要校正的像素个数为:
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由式(6)的计算结果可知Δn取最接近整数,即得到实际所需校正的像素个数Δn 。颜色校正软件流程图如图6所示。
3 结 语
彩色线阵CCD相机[7]普遍存在着固定几何畸变现象,经查阅相关文献及软件仿真, 有效地校正了颜色几何失真。但用在CCD前面加分光棱镜的方法,相机成本要比之前的昂贵三倍以上,并且如果用于航空航天等领域,受环境干扰很大,其抗震性能也无法保证,不适合实验室之外的工程应用[8];用通过异步时钟控制曝光校正的方法以牺牲曝光速度为代价来达到修正目的,只有当速度要求不是太高时,才可以通过此方法进行修正,其优点是节约了宝贵的处理时间;用软件校正方法[9,10],需要粗略知道物体与相机的直接距离以及相对的运动速度。因此颜色校正的各种方法还有待于优化。
摘要：首先提出了颜色几何失真的原因,然后经过大量的实验及理论推理,针对三条线阵CCD在焦平面上不在同一个位置造成几何失真的情况,分析了几何失真的内在原因,给出了具体的光学校正、控制曝光校正和软件校正的解决办法,并率先提出用先进软件算法改善颜色失真问题的方法。
关键词：CCD,几何失真,曝光校正,软件校正,速度匹配
参考文献
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[9]王建荣,王新义,李晶,等.三线阵CCD摄影测量理论在月球探测中的应用[J].测绘科学,2008(6):1-4.
彩色线阵CCD 第2篇
摘要：分析了线阵CCD用于实时检测系统的特点和要求，介绍了一种基于AT89C2051单片机的线阵CCD实时检测系统的设计方案。本方案电路结构简单可靠，信号处理灵活检当，有一定的通用性和启发性。
关键词：CCD 单片机 驱动 检测系统
CCD(Charge Coupled Devices)电荷耦合器件应用系统的关键技术在于CCD驱动时序的产生和输出信号的采集与处理。目前驱动主要有直接数字电路驱动、EPROM驱动、专用IC驱动、复杂的CPLD驱动等常用的驱动方法，但是它们存在着逻辑设计较为复杂、调试困难、柔性较差等缺点。在数据采集和处理方面，大多数都经过差动放大、采样保持、A/D转换，再通过总线或采集卡等接口与PC机相连。这种系统结构庞大，而且在信号处理、通信软件和界面设计等方面要耗费大量的精力。应该说这种应用系统在静态测量处理方面有其优点，但如果要满足实时控制系统的连续检测要求以及系统体积精小而容易装配等特点，则必须简化驱动电路、数据采集过程和处理方式。本文正是出于这种考虑，开发出了一种基于单片机的实时性检测系统：仅用Atmel公司一块小型的AT89C2051单片机便能产生稳定、精确、高速的驱动脉冲。该电路结构简单、调试方便、CPU占用率低，将驱动、采集和处理融为一体，而且与上位机的连接仅用两条导线便可实现检测信息传输。这种方法大大简化了线阵CCD检测系统的结构，在机器人视觉、智能小车、轨迹导引等动态检测方面有独特的应用优势。
彩色线阵CCD 第3篇
颜色测量仪器应用行业较广, 可应用于国防、纺织印染、化妆品、造纸、油漆、塑料、交通、汽车和家电等行业, 市场前景十分广阔。
本文采用的彩色线阵CCD进行颜色测量是基于光电积分法的测量原理。首先, 由色度学的理论可知, 任何一种颜色都可以由R (红) 、G (绿) 、B (蓝) 三基色以不同的比例混合而成。采用合理的光路系统, 可同时将多个被测物的透射或者反射光信号投射到彩色线阵CCD的光敏面上, 从而实现多个被测物颜色的同时探测。三线彩色线阵CCD可以将光信号中RGB三原色的刺激值转化为三路模拟电信号输出, 通过适当的模拟信号调理以及A/D转换电路, 即可得到数字化的三原色刺激值, 将其存入高速数据存储器中, 以备后续处理单元进行数据处理, 从而实现被测物的颜色甄别。
2 系统方案设计
本系统为具有一定通用性的彩色线阵CCD数据采集系统, 因此, 系统应体积小, 并具有对前级光路和后续处理单元的良好的接口。为能够适应不同的光强, 需要CCD的积分时间可进行一定范围的调整。为了提高系统的稳定性, 减小系统体积, 也为了方便系统在线调试与升级, 将CCD的驱动电路, A/D转换和存储器控制电路统一在一片CPLD内部实现。同时, 为了方便与光学系统进行接口, 将线阵CCD芯片放置于印制板边缘, 同时在印制板上预留微处理器的控制端口和数据传输端口。
由CCD采集的光信号, 通过红、绿、蓝三线输出, 某一线输出信号负向峰值的幅度就代表了该线颜色的光强。将输出的模拟信号进行幅度调整和滤波, 送入高速A/D转换器转化为数字量, 并同步将数字化的三基色刺激值进行存储。当一次采集完毕时, 由CPLD向微处理器发出中断信号, 通知微处理器进行数据处理, 从而甄别被测物的颜色或者颜色偏差。
2.1 颜色信号采集
颜色信号的采集, 分为透射光的采集和反射光的采集两种。这里以食品安全检测中, 饮料颜色的透射式检测为例来说明CCD采集颜色信号的原理。
本设计采用在宽光谱范围内发光稳定且均匀的卤钨灯作为照明光源, 通过大芯径的光纤将光投射到盛满饮料的透明玻璃瓶上, 由光收集装置将投射光进行收集, 并耦合到细芯径的光纤, 传至线阵CCD的光敏面上。
其中一路光束为参考光束, 将光直接穿过没有装饮料的空瓶。这样可以避免由于外界环境变化引起的光强变化所带来的系统误差, 从中引入一个修正系数, 从而可以对测量结果进行在线的修正, 提高测量精度。
采用CCD采集颜色信号最突出的优点就是可以实现多目标的同时快速检测, 提高检测效率。
2.2 C C D及驱动电路设计
TCD2557D为TOSHIBA公司生产的彩色线阵CCD, 并行输出三线 (RGB) 信号, 每一线的有效像元数为5340。它具有高灵敏度, 并且内置钳位电路和采样保持电路, 共需要六路脉冲驱动信号。
本设计中采用复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 进行CCD驱动电路的设计。可编程逻辑器件可以通过硬件描述语言对数字电路结构和控制时序进行重构, 使得硬件设计可以像软件设计那样方便快捷。它克服了传统设计中硬件电路修改困难的欠缺, 非常容易实现对控制时序的仿真与系统优化, 同时它的稳定性和速度都优于以软件方式实现控制时序的单片机。
2.3 模拟信号调理电路设计
在没有光照时, CCD输出4V左右的直流电平, 在有光照的情况下, 当把穿过饮料瓶的光信号投射到彩色线阵CCD的光敏面上时, CCD的每一组三路输出信号 (红、绿、蓝) 的幅值都与饮料瓶的某一种颜色一一对应 (任何一种颜色都可以拆分成红、绿、蓝三基色) 。
CCD的输出信号, 首先经过三极管构成的射极跟随器, 以降低输出阻抗, 在射极输出端采用可调电阻调节输出电压幅度从而和后级A/D转换器输入电压范围相匹配。滤波电路为压控电压源低通滤波电路, 截至频率为50HZ。
由于本系统所采集的为静态颜色信号 (颜色信息在极短的时间内不会发生变化) , 可以采取采完一路再采另一路的方式, 将红、绿、蓝三线颜色信息分时采集, 因此只需要一片A/D转换器即可完成任务。采用A/D转换器与高速模拟开关配合即可完成数模转换工作。
3 系统测量与仿真、调试结果
在测量时, 先把合格饮料透射光的三基色所对应的电压幅值存储于数据库中, 然后对被测饮料瓶进行测量。设事先存储的合格饮料所对应的透射光三基色的值为 (X0, Y0, Z0) , 被测饮料所对应的透射光三基色的值为 (X, Y, Z) , 则二者直接的颜色差别可以通过以下公式计算:
D值越大, 则说明二者之间颜色差别越大, 被测饮料不合格, 反之, 则说明二者之间颜色差别越小, 被测饮料为合格品。
在每个积分周期内第一个较大的负向峰值 (G0、B0、R0) 对应空饮料瓶的情况, 这一路主要作为参考光路, 以便对系统误差进行实时修正。因为系统采用白光光源, 且在空饮料瓶时, 三基色所透过的光强都最大, 所以会出现积分周期内三线的第一个负向峰值都最大的情况。
其余5只饮料瓶中所盛为绿色饮料, 这5只同为绿色饮料, 但因成分略有不同, 浓度略有不同, 所以由 (Rn、Gn、Bn) 所组成的三坐标向量也不同 (其中n取值1~5) , 将所测得得三坐标向量与存储于数据库中的合格饮料所对应的三坐标向量进行比对, 从而可以甄别饮料质量的好坏。
4 结论
在本文中论述了基于CPLD和彩色线阵CCD的颜色信息测量系统。因为控制电路部分在CPLD内部实现, 不但体积小, 运行稳定, 而且便于系统的升级。可以以其为核心, 组成嵌入式系统, 实现颜色甄别仪器的小型化和智能化, 同时提高测量速度。
本文以液体饮料质量检测为例, 叙述了由该系统组成测量仪器实现在线测量的方法。实验结果表明, 该系统可以较好的采集颜色信息, 从颜色的角度实现饮料质量的甄别。通过适当的光路改造和机械结构改造, 该系统同样可以应用于其他颜色测量或甄别领域。
参考文献
[1]胡涛等.彩色印刷品质量检测技术的发展.印刷世界, 2004.
线阵CCD筛选电路的设计与研究 第4篇
航天任务中, 对使用电子元器件的质量等级要求很高, 真空特性、温度特性、抗辐照特性均要满足系统要求, 但是由于电子元器件的采购渠道, 采购成本, 采购周期等原因在设计中会遇到选用低等级器件来代替高等级器件的情况, 为保证元器件的可靠性和任务的顺利完成, 需要对所选用的低等级器件进行可靠性筛选。
电荷耦合器件能够存储由入射光在光敏单元激发出的光信息电荷, 并且能够在适当的时钟驱动脉冲作用下, 把存储的电荷定向转移和传输, 最终以收集到的电荷作为信号, 因其具有质量轻、体积小、功耗低、动态范围大、测量精度高、寿命长等诸多优点, 被广泛应用在航天遥感观测、载荷对地观测、空间科学等领域[1,2,3]。Koda公司的商业级三线阵探测器KLI-2113有敏感度高、动态范围大、数据速度快以及噪声低等优点, 因此非常适合应用在空间探测领域。本文针对商业级的探测器KLI- 2113, 设计老炼试验的筛选电路, 并给出试验结果。
1电路设计
CCD筛选电路是为了从多片CCD中获取、处理和存储数字图像信号[4], 主要由时序产生和控制单元、驱动单元、视频处理单元和数据传输单元等几个部分构成, 原理框图如图1所示。
其工作过程是12片CCD在FPGA产生的驱动时序作用下输出与光强相对应的模拟信号, 通过模拟开关选择后经过前置放大、相关双采样、A/D转换成为12位的数字信号, FPGA缓存接收到的数据并通过Camera Link接口传输到PC机中, 完成数据采集过程。
1.1 CCD驱动单元
三线阵探测器KLI-2113由3条平行的并且完全相同的光电二极管阵列组成, 每行包括2 098个有效像元、12个暗像元以及12个测试像元, 饱和输出电压为2.0 V, 动态范围76 d B, 像元读出频率为20 MHz, 电荷转移效率为0.999 99, 暗电流为0.02 p A/pixel。CCD探测器的主要参数如表1所示。
KLI-2113由7路脉冲驱动, 分别是转移脉冲TG1和TG2, 输出复位脉冲QR, 曝光控制脉冲LOG及读出脉冲Q1, Q2和Q2S。偏置电路的原理图如图2所示。
KLI-2113的一个工作周期分为两个阶段:光积分阶段和电荷转移阶段[5]。转移脉冲TG1和TG2高电平期间, 光敏区积累的信号电荷并行地向与每个像素对应的移位寄存器转移, 为保证信号电荷的充分转移, TG1高电平持续时间最小为500 ns, TG2高电平持续时间比TG1的高电平持续时间至少大500 ns。转移脉冲低电平期间, 光敏区与移位寄存器被隔离, 在光敏区进行光积分的同时, 移位寄存器在读出脉冲的作用下, 逐个地输出各像元信号至OS端。本设计中, 读出时钟Q1和Q2是反向的关系, 占空比为1∶1, 频率为2 MHz;由于不需要相邻像素相累加, Q2S和Q2保持相同的频率和相位关系;输出复位脉冲QR用于清除上一个像素转移后的残余电荷, 其频率和Q1、Q2相同, 占空比为1∶9。
FPGA输出的驱动脉冲无法直接驱动CCD, 需要增加驱动电路, 时序驱动单元为探测器的工作提供偏置电压和时序脉冲, 选用SNV54ACT245八总线收发器来实现, 调整好各驱动时序后, 在输出端可以得到稳定的视频信号。
1.2模拟前端和视频处理单元
为了避免容性负载引起的带宽限制, 并且能够提高CCD输出信号驱动后级电路的能力, 在CCD的信号输出端加一级射极跟随电路作为模拟前端信号处理单元[6]。 模拟前端处理单元由三极管3DG111构成放大电路, 用以缓冲和匹配CCD输出信号。设计中采用交流耦合方式, 以消除直流分量, 降低直流功耗, 抑制1 f噪声。模拟前端电路在PCB设计时应该尽可能地靠近CCD信号输出的管脚, 同时晶体管3DG111的输出级与下一级电路的连线也尽量设计为最短连接, 从而能够最大程度地减小对地的寄生电容对电路的影响。
电路中共有12片CCD, 每片CCD具有3个通道, 如图3所示, 所以共有36个通道的模拟信号。将3片CCD的9路模拟量连接到一片多路模拟开关上, 4个模拟开关作为第一级, 然后将4个模拟开关的输出端连接到第二级模拟开关的输入端, 第二级模拟开关的输出信号作为视频处理器的输入来进行后续的视频数据处理, 模拟开关的切换由FPGA进行控制, 从而可以实现用最简单的硬件电路完成多路模拟信号的采集处理功能[7]。
视频处理单元选用定制的Philips公司生产的专用集成视频信号处理器TDA9965, 其由采样保持电路、可编程增益放大器、直流偏置调整、暗电流校正及12bit A/D转换器组成。视频处理器主要参数如表2所示。
CCD的输出信号是经过交流耦合接入视频处理器的输入端的, 但是由于光强和温度等的变化会导致CCD输出信号的暗电平参考出现波动, 因此需要进行暗电平校正[8]。在每一帧开始和结束部分会有两个暗电平参考信号, 在此期间使CLPOB和CLPADC信号为高电平, 就能使整行的输出信号暗参考电平保持在芯片内部提供的一个基准电平上。
采样保持电路采用能够有效抑制复位噪声和白噪声的相关双采样算法。其基本原理是将两次采样得到的暗电平和信号电平相减, 就可以得到消除了复位噪声的视频信号。SHP脉冲对暗电平采样, SHD脉冲对信号电平采样。本设计中SHP频率为2 MHz, 高电平持续时间为50 ns;SHD频率同样为2 MHz, 高电平持续时间也为50 ns, 同时两个采样信号SHP和SHD都要处于暗电平和信号电平的相对平坦阶段。
在TDA9965中, 为了防止CCD信号过弱或者饱和, 其内部含有一个可编程增益放大器, 用于控制信号的增益。PGA是增益在0~36 d B之间可调的放大器, 可以通过一个10 b的DAC控制, 码值在0~ 720之间变化时, 增益与码值为线性关系, 步进为0. 05 d B, 码值大于720后, 增益保持最大值36 d B不变。DAC的值由FPGA通过TDA9965的串行接口进行配置。
视频处理器作为高精度和高速的模数转换芯片, 在PCB设计中既有模拟电路部分又有数字电路部分, 因此常将视频处理器看作模拟器件。
由于模拟信号是随时间变化的连续的电压和电流信号, 所以它对于外界的干扰非常敏感;而电路中又有大量的数字器件并且电路工作在较高的频率, 数字信号在上升沿和下降沿处会产生较高的高频成分, 很容易对周围的模拟信号造成影响。
因此在设计中要正确区分数字电源和模拟电源, 在模拟地和数字地的连接点处通过磁珠连接来保证模拟地和数字地连接的正确性, 消除二者间构成传导回路的可能性。电源线要尽量的粗, 并且尽量地靠近地层。同时IC电源引脚就近安置旁路电容用以抑制电磁辐射干扰。
2试验过程
2.1试验程序
(1) 预处理:将被检器件和筛选板置于正常大气环境条件下, 至温度稳定。
(2) 初始检测:在正常试验条件下, 对CCD及筛选板进行外观检查, 若完好则将器件安装于板上进行电性能检测, 记录并保存器件在常温下各个通道的量化值。
(3) 老炼过程:筛选板放置到试验箱中上电, 试验箱升温至80 ℃;80 ℃条件下进行老炼, 停留时间96 h。 整个工作过程中监测电源电流并观察图像, 判断系统是否工作正常, 同时保存整个试验过程的数据;数据采集和存储软件界面如图4所示。
(4) 最后检测:试验结束, 在常温条件下, 对筛选板和CCD进行电性能检测。
2.2试验结果与分析
老练试验前后分别对CCD进行了综合测试, 将探测器直接放置在积分球的开口处, 且感光面平行于出光口所在平面, 同时, 利用光照度计同步测量出光口处的光照度, 通过调整积分球不同亮度等级, 可以得到CCD输出DN值及对应的光照度之间的关系。
下面以其中任一片CCD进行说明。老炼试验前测得的R通道输出DN值及对应的光照度之间的响应关系如表3所示。试验后测得的R通道输出DN值及对应的光照度之间的响应关系如表4所示。
拟合曲线如图5、图6所示。试验前后CCD响应度对比结果如表5所示。从以上CCD响应度的对比结果可以看出, 经过老炼试验后, CCD的响应度提高, 非线性度下降, 器件满足可靠性筛选实现方法要求, 可供给仪器使用。
3结论
通过对12片线阵CCD输出信号处理电路的精心设计以及对各控制脉冲的频率、宽度和相互位置关系的仔细调试。本系统得到了响应度较好的增益、偏置、起始像元和积分时间都可调的数字图像, 为多片线阵CCD老炼筛选试验的顺利进行提供了良好的硬件基础。试验结果表明CCD完全满足可靠性筛选实现方法要求, 可供给仪器使用。同时, 本设计中的筛选电路也对其他航天任务中低等级器件的筛选具有一定的参考借鉴作用。
参考文献
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基于FPGA的线阵CCD驱动设计 第5篇
电荷耦合器件(CCD)作为新兴的固体成像器件——图像传感器,具有体积小、重量轻、分辨力高、噪声低、自扫描、工作速度快、灵敏度高、可靠性好等优点,受到人们的高度重视,广泛应用于图像传感、景物识别、非接触无损检测、文件扫描等领域[1]。其应用系统的关键技术在于CCD驱动信号的产生及输出信号的处理。以往经常采用的驱动方法主要偏重硬件的实现,调试困难,灵活性较差。而单片机驱动方法虽编程灵活, 但存在资源浪费较多、频率较低的缺陷。复杂可编程逻辑器件FPGA具有编程灵活、集成度高、速度快、容量大、功耗小、可靠性好等优点,并且节省PCB板的空间,可移植性好,使用灵活。因此,结合实际应用需要,设计了基于复杂可编程逻辑器件FPGA的CCD驱动时序设计,使用Verilog语言对驱动电路方案进行了硬件描述,采用QuartusⅡ对所设计的时序进行了系统仿真[2]。
1 CCD图像传感器TCD1251UD
TCD1251UD芯片是日本东芝公司生产的一种高灵敏度、低暗电流、具有2 700个有效像元的双沟道两相线阵CCD 图像传感器。它的中心距为11 μm,最佳工作频率为1 MHz,光敏单元阵列总长为29.7 mm。该传感器可用于传真、图像扫描和OCR。它的结构包括:MOS电容存储栅、转移栅电极SH、CCD模拟移位寄存器Φ1和Φ2信号输出单元OS和补偿输出单元DOS[3]。
2 TCD1251UD的驱动时序要求
TCD1251UD的驱动脉冲波形图如图1所示,各信号之间定时关系如表1所示。
当SH脉冲为高电平时Φ1脉冲亦为高电平,其下均形成深势阱,SH的深势阱使Φ1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通,从而使MOS电容存储栅中的信号电荷转移到Φ1电极下的势阱中。当SH电平由高变低时,SH低电平形成的浅势阱将MOS电容存储栅下的势阱与Φ1电极下的势阱隔离开。存储栅的势阱进入光积分状态,而模拟移位寄存器将在Φ1和Φ2脉冲的作用下驱动信号电荷向左转移,最后信号经由OS端输出哑元信号和2 700个有效像元信号,而由DOS端输出补偿信号。由于结构的安排,OS端首先输出13个虚设单元信号;再输出51个暗信号;最后连续输出2 700个有效像素单元信号;接着输出9个暗信号、2个奇偶检测信号和没有信号的空驱动,空驱动的数目为任意的,但必须大于0,否则会影响下一行信号的输出。由于该器件是两行奇、偶传输,所以在一个SH周期中至少要有1 388个Φ1脉冲,即TΦSH>1 388TΦ1。CCD各路脉冲的技术指标为:Φ1,Φ2为驱动脉冲,Φ1,Φ2相位相反,两者均是频率为0.5~2 MHz,占空比为l∶2的方波,本文要求该频率可调节。SH为转移脉冲,由图1可以看出:当SH为高电平时必须Φ1同步为高电平。当SH为低电平时,Φ1也将变为低电平。但是,Φ1脉冲必须比SH脉冲提前上升、迟后下降。即在并行转移时Φ1脉冲有一个大于SH为高电平时的持续时间的宽的高电平脉冲。由上面分析可以得出,TΦSH>1 388TΦ1,RS为复位脉冲,占空比为1∶4的方波,频率为1~4 MHz,同时要求该频率同样可调节。
3 驱动时序的实现
3.1 驱动时序的FPGA实现
为了产生系统中用到的时序,设计了基于复杂可编程逻辑器件FPGA的CCD传感器驱动时序发生器,采用 Altera公司的Quartus Ⅱ软件开发系统。Quartus Ⅱ软件开发系统是一种全集成化的可编程逻辑设计环境,它支持硬件描述语言(VHDL和Verilog HDL)、状态图和原理图三种输入方式,拥有编译、逻辑综合、仿真等功能[4]。相对于其他输入方式,硬件编程语言的输入方式(如VHDL或Verilog HDL)可移植性和可读性好,因此成为本设计的首选。其中Verilog HDL具有编程灵活、使用方便等优点为众多设计所接受[2]。总体的设计思想是将驱动时序分成三个模块,分别为AD0832,Divider和CCD_Driver。AD0832模块采集输出数据由Divider分频模块处理后输入给CCD_Driver模块去调节CCD的积分时间与驱动频率,同时CCD_Driver模块输出4路信号驱动CCD。CCD_Driver模块的的总体设计思想是将可调时钟in_clk、积分时间INTER_TIME作为输入而且它们与Divider模块的输出CCD_clk、Ctr_Time_Out[12..0]对应,产生四路信号SH,RS,PH1,PH2作为输出直接驱动CCD。其中驱动频率RS和积分时间SH可调。CCD驱动时序的设计如图2所示。CCD_Driver模块实现的功能是将时钟输入(in_clk)二分频分别得到Q1和Q2信号,四分频得到temp_ph。用信号temp_ph作为计数时钟输入,分别在它的上升沿和下降沿触发产生信号temp_sh1,temp_sh2。将Q1,Q2,temp_ph,temp_sh1,temp_sh2进行组合逻辑运算分别得到转移脉冲SH、复位脉冲RS、时钟信号PH1,PH2[5]。其中转移脉冲SH、复位脉冲RS频率可调。使用VerilogHDL编写程序中要求时钟PH2 与PH1信号相位相反。Q1为在时钟in_clk的上升沿触发的二分频信号,Q2为在时钟in_clk的下降沿触发的二分频信号。把Q2取反后与Q1相与产生RS信号。由于SH,RS,PH1,PH2信号存在一定的周期关系,所以在Q1下降沿时触发翻转二分频得到基信号temp_ph。用信号temp_ph作为计数时钟输入,分别在它的上升沿和下降沿触发并根据积分时间计数控制temp_sh1,temp_sh2的高低电平时间。将temp_sh1,temp_sh2相与得到SH信号;将temp_ph,temp_sh1与temp_sh2相或得到PH1信号。PH1取反得到PH2信号[6,7,8]。
3.2 仿真结果
以上模块在Quartus Ⅱ软件开发系统上进行设计输入,经编译、校验后,其仿真波形如图3所示。
从仿真结果可看到产生的驱动脉冲与线阵CCD-CCD-TCD1251UD所需要的驱动时序完全吻合,能够达到CCD驱动电路要求。
4 结 语
使用FPGA器件实现对CCD驱动器的设计,很好
的满足了CCD应用向高速、小型化、智能化发展的需求。在设计中,首先必须清楚CCD驱动时序的要求,并利用硬件描述语言进行科学的编程,这样才能有效地完成设计需求[9]。本文通过一个设计实例,来说明利用FPGA设计CCD驱动器的方法,经过仿真测试,验证了该设计满足CCD驱动要求。
摘要：电荷耦合器件(CCD)作为一种新型的光电器件,被广泛地应用于非接触测量。而CCD驱动设计是CCD应用的关键问题之一。为了克服早期CCD驱动电路体积大,设计周期长,调试困难等缺点,以线阵CCD图像传感器TCD1251UD为例,介绍一种利用可编程逻辑器件FPGA实现积分时间和频率同时可调的线阵CCD驱动方法,使用Verilog语言对驱动电路方案进行了硬件描述,采用QuartusⅡ对所设计的时序进行系统仿真。仿真结果表明,该驱动时序的设计方法是可行的。
关键词：线阵CCD,可编程逻辑器件,积分时间,频率
参考文献
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彩色线阵CCD 第6篇
线阵CCD摄像机在工业、科研中,在计测、图像信息采集、高速物体探测等方面运用越来越多[1]。而在实际的使用中,线阵CCD摄像机往往需要特别定制,就算信号采集、处理电路能实现不同要求下通用,具体控制过程及处理算法上,也经常需要进行针对性设计或大量的修改。学习和研发过程中,很多人都体会到,关于线阵CCD摄像机很难找到一个完整、简单易懂的应用理论体系,这些都使得在不同的工程项目中,各种重复性的工作很不断。
本人在实际项目中,针对在不失真条件下采集、存储并显示线阵CCD图像信号方面,进行了大量学习和工作。在此撰写本文,阐述在使用线阵CCD摄像系统拍摄匀速移动物体及类似过程中,如何将光学镜头参数、线阵CCD器件性能、需要获得图像的分辨率、与拍摄物体距离、相对物体扫描速度等应用条件,在理论上结合起来,推导其中的数学关系。并最终将如何设计线阵图像采集系统与控制过程才能保证在一定分辨率条件下,存储得到不失真图像信息的算法、和近似公式,提出给大家作为参考。
二、线阵CCD摄像构成
线阵CCD摄像机的基本构成如图1包括:镜头、感光元件、处理模块、显示或图像存储模块几个部分。
在整个拍摄匀速移动物体,要做到获取图像不失真,就需了解线阵摄像机各重要组成部分在图像获取过程中的作用。如图2,为采集过程的简化示意图,其中ω为镜头视场角,LH为物距,L为物距对应视场内水平宽度,VS为匀速移动物体速度,获得信号以满足一定VGA分辨率要求进行图像存储。
结合图1,得出,影响失真的硬件包括以下几部分:
(1)镜头。多数情况,单独感光元件的光敏要求在自然光条件下难以满足,需要选择适合的镜片、调整光圈、进行遮光补光等处理,以满足要求。没有镜头,也就无法保证光照度;没有光学聚焦,就难以到感光元件精度和敏感度要求,也就无法在感光元件尺寸大小上,形成完整的像,导致模糊;
(2)感光元件。线阵CCD电荷耦合器件,除色彩、敏感度、最大曝光度等参考条件。系统中主要考虑精度、帧速度两个要求。精度高,则单位长度的象素点越多、越清晰;帧速快,即控制时钟频率越高,则曝光、电荷积累、转移时间越短,单帧采集时间越短,更适用于快速采集的要求。但图像存储过程中,行的刷新,来源于线阵CCD的每帧获取,因此精度与帧速度是相对的。
(3)图像信号处理。相对面阵CCD各种完整的设计方案,线阵CCD系统往往需要从头设计。无论存储还是直接显示,都需根据ADC精度、采保频率,将送入的数字信号进行均值、补光,再配合后面的显示或存储要求,按转移信号进行帧存储。这些步骤完成需要配合CCD采样频率、VGA刷新时序来完成,具体需根据分辨率要求,以线阵CCD的帧采集速度,按“能”和“要”的帧数目存储。
关于线阵CCD图像不失真采集显示算法及实现的讨论,需要分析:透镜成像、CCD控制和帧存储要求。详细内容见文献[2~4]。
三、系统分析
3.1 线阵CCD控制
线阵CCD器件。其品牌较常用的有SONY、TOSHIBA、NEC、SHARP等,型号精度从黑白256象元到较高的彩色21360·3或更高,速度也从几KHz到几十MHz不等[1]。总的选取原则应主要根据精度、帧速度、价格三方面决定,其它要求如最大曝光量、敏感度、满输出电压等都可以在工程中解决。大多数线阵CCD的驱动方法大同小异。如图3为简化的主要控制信号示意图。
其中SH为行转移信号,RS点转移信号。在这里设SH信号周期时间为tv,fΦ为RS时钟频率,n=(信号元+前后哑元),此时单帧采集时间应满足
则帧采集频率为
大多数线阵CCD的fΦ有一个上限速度,向下是可调的,前提是不能使CCD曝光过量,即电荷积分时间tv与环境光照度Lu乘积与CCD敏感度R的积值不能高于最大输出电压VSAT,即
其中Lu可参考常用流明表,但往往后期需要进行光照调整[5]。
3.2 光学系统设计
镜头的种类非常多,在线阵CCD摄像机设计中,正常视距范围内单镜片、定焦距的镜头就足够了,普通的成像要求,都可通过调整得到满足。单镜片成像原理如图4所示。
视场角2ω是与焦距关联的重要参数,视场角表示观察景物的范围,指在视场角内的景物可全部落入成像尺寸内,以外的景物将不被摄取。因此,视场角与摄像机的靶面及镜头的焦距有关。根据图4三角公式,线阵CCD视场角为2ω=2arctg(y/2f)。
f为镜头的焦距,h为摄像机靶面的水平宽度,v为摄像机靶面的垂直高度。更多内容见文献[6]。
在实际应用中,通过拉伸镜头与感光元件相对距离等方法,往往成像覆盖面是超过靶面大小的,也就是说,y与2f值应用中是不固定的。但因为在靶面位置所成像靶y`依然是2ω视场内所成的像,而线阵CCD感光区域也为靶面内2ω的一部分,因此所进行的适合要求的CCD和镜头距离的调整超过了2f时,y也在按比例变化,依然可以近似使用ω=arctg(y/2f)。在应用中,在固定物距和CCD采集频率后,由于公式为近似等效,仍然需要一定的物体或者镜头的距离调整。
3.3 帧采集与存储要求
在不涉及对应制式图像存储、显示设备实际时序前提下,在此举例说明图像显示分辨率对帧存储速度的要求。以之前提出的VGA 800×600×60Hz显示分辨率为例,对应幅图像的存储格式也就为800×600点阵每幅。显示详细内容见文献[7]。线阵CCD在扫描图形时必需有一个与扫描物体之间的相对速度Vs,也就存在物体通过特定长距离所需经历的时间tP
如图5中作为不失真的标准,这里假设,正在通过线阵CCD的物体为一宽为Lw的长方形,而已经通过的部分为一正方形,边长Lw,如图6所示:
图像不失真,则物体大小在对应视场及高度下不超过显示单幅存储范围情况下,也因存储并显示为一正方形。即物体图像对应的存储点阵的地址范围也该为p×p(p<600)。800×600的800列从CCD每帧有效像元中选出,而600中的每一行则对应CCD的每一帧。因此若通过图像Lw实际占图像200列宽,在tp时间内也因有扫描了200帧,使图像存储阵列为一200×200的地址区域。
60Hz仅限定场内CCD转移最大帧数,对图像影响小。
四、综合公式
设Vn·Hn为VGA特定显示分辨率,Vn为行点数目,Hn为列点数目,比如在800×600中Vn=800、Hn=600。通过对图4与图5的分析,可以得出一定距离LH外,如果视场内水平宽度L对应线阵CCD感光区域上Vn点采集范围,则物体宽度Lw所占比例Lw/L就该对应Vn·Lw/L的点象素数量。比如占Lw/L=1/4在800×600条件下,Lw所占据图像宽度就该为200行,而此时,tp时间内CCD扫描的列数量也就该为200列的整数倍。因此可以得出满足图像分辨率、扫描相对速度的线阵CCD帧采集频率Fv的基本公式
其中N为自然数,表示Fv应为基本频率要求的整数倍。
进一步,L为扫描目标物体所在一定距离LH外所在视场角度内水平长度。由上文关于视场角度的描述,如图4所示,根据镜面至物体所处水平线构成的三角公式,及对ω的定义可以得出
带入Fv中,则可得到Fv与物体速度,镜头视场角ω的关系公式
在大多数情况下,视场角与对应焦距的关系都可以通过很多资料查得,视场越广焦距越短。若还要由此计算所需焦距,则可将
带入Fv,其中y值需根据实际感光元件尺寸适当选值。
由以上各种论据可证明,此公式可近似表达采集图像分辨率、扫描相对速度、存储线阵CCD实际帧数,三者之间的关系。应用中对CCD器件的调整需要满足以下条件
具体应用如下:
假设实际条件下,CCD、镜头都已经选定,参数已知,对应用环境中的视距、移动物体速度和采集速度的调整就应根据公式来相互确定调整。
东芝的TCD2901D,其有效像元为10550,最小转移时间为10628个像元时间间隔,点电荷转移时钟0.3~5MHz可调。设工作在5MHz的转移时钟频率下,可在此处取每帧采集时间为12500个像元时间间隔,即每帧tc=12.5/5k=2.5(ms)推出CCD采集频率Fv=400Hz;
参考图2假定已选定镜头视场,并与CCD硬件固定ω=45°;再知道物体距离镜头的LH=0.5m;取N=1,则可得出在800×600分辨率下存储图像,物体就以上条件,匀速移动的速度Vs应设定为
一般像元数目多而时钟速度较慢的线阵CCD用于快速图像扫描,虽然精度高,但速度会比较慢,此时可拉长LH,若LH=10m,则Vs=10m/s。
就以上TCD2901的例子中,我们用镜头选定、CCD频率不变、视距和分辨率已定的条件,求出物体必需的移动速度。而在实际应用中,扫描相对速度VS、采集帧频率FV、视距LH、行分辨率Vn、镜头视角ω几个参数,只需根据公式关系,按照具体的要求进行设定,就可以相互表示,实现不同设计要求。
五、结束语
经过以上提供的图例及公式证明,在限定条件下,通过镜头取景成像的线阵CCD图像采集是可以做到不失真的。最重要的是,在得出的综合公式中,通过对公式的理解,结合实际条件下对设备的应用和程序的适当调整,就可以实现不同实际环境下的应用。本人目前所进行的《基于线阵CCD匀速物体识别系统》项目中,就是根据该结论再结合实际的电路调试,完成相关的连续监视图像显示工作。
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[6]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:电子工业出版社,2003.
彩色线阵CCD 第7篇
检测汽车制动性能的方法主要有台试法和路试法。台试法机动性差,且有测试值与实际值相差较大的现象;路试法目前主要仪器为五轮仪及惯性式减速度计。近代的第五车轮采用电磁感应传感器与数字显示装置,能精确测出起始车速、制动距离、制动时间,但价格昂贵、操作复杂,目前多用于专业汽车制造厂。
CCD传感器具备光谱响应宽、动态范围大、灵敏度和几何精度高、噪声低、体小质轻、低功耗、抗冲击、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用、寿命长、图像畸变小、无残像、便于进行数字化处理和与计算机连接、可高速成像以满足对高速运动物体的拍摄等优点,在图像采集、非接触测量和实时监控方面得到了广泛应用[1]。本文以高速线阵CCD作为传感器,研究汽车制动性能检测系统。
1 汽车制动性能检测系统设计原理
1.1 汽车制动性能检测系统组成框图
系统框图如图1所示。汽车制动性能检测要求:汽车在规定初速度下刹车,其制动距离和制动稳定性应符合相应国标要求[2]。因此系统由车速检测、制动力检测和MCU综合处理三个模块组成。其中车速检测为系统核心。
1.2 车速检测原理
车速测算原理如图2所示。CCD的线阵方向与
汽车前向垂直固定安装。检测时,线阵CCD始终向A/D转换器输出被扫描对象表面视频图像信号。A/D转换器采集转换CCD_1的8线中点数据(线数多少可根据实际测量情况增减),随后在CCD_2输出的视频信号中依次比较查找,一旦找到相符的特征点,说明汽车已移位了已知距离,检索成功。根据检索时间和偏移的象元数可计算出车速和侧偏角。
实际操作中,CCD的线阵方向与汽车前向垂直固定安装不易做到,通常有一误差角α(如图2所示)。其检测方法为:让汽车沿直线运动,重复上述的检测,此时的侧偏角即为误差角α。误差角α和速度v’的计算公式为:
式中:k为光学系统线阵方向的放大倍率,本设计取100;n为在CCD_2上检测到的特征点偏移象元数,Sp为像素间距,t为检索时间。
这样,在随后有侧偏的测量中,汽车的前进速度v为:
1.3 汽车制动性能主要参数计算
在汽车测试过程中,每完成一次像素检索计数器hj加1,同时侧偏距离累加器计入这次检索的侧偏像素数nk。则制动距离Szd和侧偏距离Scp分别为:
充分发出的平均减速度MFDD可通过下列公式计算:
式中:vo为试验车制动初速度;vb为0.8vo试验车速;ve为0.1vo试验车速;Sb为试验车速从vo到vb的行驶距离;Se为试验车速从vo到ve的行驶距离。
2 系统硬件设计
2.1 IT-P1-1024 CCD简介
IT-P1-1024为1024元4口输出CCD,其像元尺寸为10μm×10μm,其驱动频率为25MHz,线扫描速率达87k Hz[3]。
4个口像元的具体分布如图3所示。可以看出:CCD分别从OS1、OS2、OS3、OS4 4个输出口输出光敏信号,像元按奇偶分成两行错位排列,形成100占空比。4口输出方式的输出速度相当于在相同驱动时钟驱动下输出速度的4倍(相对于单口双行体制)。这样就可以用较低的频率完成高频才能完成的功能,避免高频对电路的苛刻要求和节省购买高频器件的经费。
2.2 光学扫描成像系统
光学扫描成像系统由线阵CCD、镜头组件组成。镜头组件中的折射组件可将相同大小、前后垂直相隔10cm的P1、P2区域的影像折射移位后平行拼接,经椭球面透镜分别投影到线阵CCD_1和CCD_2上。这样,被CCD_1扫描的地面就可能被CCD_2再次扫描,即成像两次。为防止互相窜光,需在两条光路中间加以遮罩隔离。
2.3 主要元器件选用和工作速度的匹配
设可测车速上限为250km/h(69.4m/s),光学系统纵向分辨值为5mm,则地面花纹信号频率为13.88k Hz。根据采样频率大于等于两倍信号频率的采样定理,线阵CCD线扫描速率应为28k Hz,若选用4×256个象元,其工作频率应大于7.2MHz。在实际中,为了保证被测信号的质量,采样频率是被测信号最高频率的3~4倍,在工程上有时取到10倍[4],本文选用上述4端口输出IT-P1-1024CCD,完全满足该技术要求。
为留有余量,通常A/D转换器的选取标量频率为实际工作频率的两倍,本设计采用4片美国国家半导体公司生产的8位50MSPS高速A/D转换器ADC1175-50ILQ,分别转换来自IT-P1的四路视频输出信号。
由于IT-P1的驱动工作频率要求很高、相位关系复杂,宜用高速CPLD作为CCD的基本时序发生器。本设计使用Lattic公司的isp MACH4000C/B/V系列芯片,该芯片的工作时钟可以达到400MHz,完全可以满足此CCD的工作时序要求。
3 系统软件设计
本系统中,软件分为两部分,分别存储于89C52和EP2C35芯片中,存储于89C52中的为汽车制动性能参数计算和评判、刹车力检测、系统调控、通信和显示等程序;存储于EP2C35中的为CCD时序信号产生、每秒钟85点(CCD每扫描1024帧建立一检测点)车速检测和按键去抖动等程序。
系统软件分别采用C51和VHDL语言来编写完成,程序主流程如图5所示。
4 结束语
本系统可单独作为一个检测仪器使用,也可方便地与单片机、DSP、微机等连接,构建复杂检测控制系统。通过以上介绍也不难看出,线阵CCD用于快速动态测量是一个比较复杂的技术,需要综合应用光、机、电、算等各种技术。
摘要：介绍一种运用光电耦合技术检测汽车制动性能的系统。安装在车体中部光学扫描成像系统将路面前后相隔微小距离的影像分别投射到线阵CCD以中心为界的两部分线阵上,在汽车行驶中,同一路面则在CCD的左右两边线阵上先后成像。此像素经A/D转换送到CPLD进行处理,通过比较、检索两者中的特征点(前者记录特征点,后者比较、检索),根据制动所经历时间和像元的偏移数即可计算出汽车运动速度和侧偏距离,进而得出该汽车制动性能。
关键词：线阵CCD,汽车制动性能,光学扫描
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彩色线阵CCD 第8篇
CCD(Charge Coupled Devices)，即电荷耦合器件，是一种常用的半导体集成图像传感器。它具有高灵敏度，高准确度，高稳定性，高分辨率，高集成以及体积小等优点[1]。线阵CCD作为一种高灵敏度光电传感器，在如条码识别、光谱检测、图形扫描、非接触式尺寸测量等系统中得到了广泛的应用。
CCD正常工作时通常需要多路驱动时序信号，而且对时序的要求非常严格。各路时序之间除了有严格的相位关系和各自的驱动电压要求外，至关重要的是各个驱动时序信号的边沿关系。驱动时序性能的好坏直接影响了输出信号的质量。现今，不同的CCD芯片其驱动时序信号或多或少有所差异，采用FPGA(Field-Programmable Gate Array)来对时序电路进行设计具有灵活性、易于维护且能够满足CCD芯片严格的时序要求，它可以根据不同的CCD芯片驱动时序信号的特点进行时序发生器的定制[2]。
本文以TCD1209D为例，选用XILINX公司的XC3S500E芯片作为主控芯片，完成线阵CCD的时序逻辑设计，设计并实现线阵CCD驱动模块的硬件电路。
1 TCD1209D驱动逻辑设计
1.1 TCD1209D结构分析
TCD1209D的每个光敏单元的尺寸为14μm×14μm×14μm，光敏阵列的总长度为28.6mm，最佳工作频率为1MHz而最大工作频率可达20MHz[3]。
TCD1209D的光敏单元阵列总共由2088个光敏二极管构成，其中前32个和后8个作为暗电流检测被遮蔽，有效感光像素为2048个。光敏单元阵列的外侧依次是转移栅和CCD模拟转移寄存器。最后通过信号输出缓冲级将电荷包转换为相应的电压信号输出。
TCD1209D的一个工作周期分为两个阶段:光积分阶段和电荷转移阶段。在光积分阶段，SH的低电平形成的浅势阱将存储栅势阱与CCD模拟转移寄存器的势阱隔离，存储栅势阱积累光电二极管产生的光电荷;与此同时转移时序将上一帧转移到CCD模拟转移寄存器中的电荷一位一位输出并在输出结束后清空CCD模拟转移寄存器中的无效电荷[4]。在电荷转移阶段，SH的高电平会形成一个深势阱从而使存储栅势阱与CCD模拟转移寄存器的势阱相连通，此时将存储栅势阱的电荷转移到CCD模拟转移寄存器的势阱中。
1.2 TCD1209D驱动时序分析
如图1所示，TCD1209D正常工作总共需要6个驱动信号，但Φ2和Φ2B的时序一致，故设计时只需设计5路驱动信号。TCD1209D的一个工作周期有光积分阶段和电荷转移阶段。不同阶段所需的时序信号不同。在光积分阶段，SH恒为低电平，Φ1、Φ2则为相位相反、周期和占空比相同的方波信号，RS、CP的周期和占空比一致，但CP的高电平脉冲出现在RS高电平脉冲之后。而在电荷转移阶段，SH为高电平控制CCD将积分阶段积累的电荷转移到CCD模拟转移寄存器中，Φ1为高电平，Φ2、RS、CP皆为低电平。因此，在设计时序逻辑电路时把每路信号拆解成与CCD工作阶段相对应的2个阶段[5]。
CCD的各项工作都由时序信号来控制，因此对各路驱动信号的相位有严格的要求。图2是各个信号之间具体的相位关系。图2中OS信号为CCD的输出信号，可以看出为了正确输出OS信号需要Φ2B、RS和CP协同工作。RS信号的高脉冲时刻使OS输出一个复位电平，紧接着CP的脉冲到来使OS输出钳位电平，最后Φ2B的一个下降沿跳变使OS输出像元的电荷信号。
图2中具体时间参数如表1所示，其中典型值是在RS脉冲频率为1MHz时的测量值。
1.3 TCD1209D驱动逻辑设计
TCD1209D的最高工作频率可达20MHz，它的典型工作频率为1MHz。
根据表1中TCD1209D各路脉冲时序的相位间隔值要求，可以确定CCD基本驱动信号SH、Φ1、Φ2、RS、CP的参数。各路脉冲的技术指标如下:Φ1=Φ2=1MHz，占空比为1∶2，方波;RS=CP=1MHz，脉冲宽度为200ns，占空比为1∶5，方波;转移脉冲的脉宽为1500ns，Φ1与SH为高电平之间空闲脉宽，选择脉宽为500ns。
用Verilog HDL语言作为开发语言，软件平台则是XILINX公司的ISE12.4[6]。基于上述对驱动时序的分析，综合考虑各信号的脉冲宽度，选用10MHz的CLK为时钟源，基准周期为100ns。使用帧计数器和像元计数器来控制时序发生器的各个信号输出。帧计数器控制一帧图像进行到CCD工作的哪个阶段，而像元计数器则用来控制一个像元的电荷转移信号。驱动电路的控制流程图如图3所示。
TCD1209D总共有2088个像元，设计时考虑到输出延时等因素将总的像元驱动脉冲个数设置为2100个，每个像元周期即RS、CP脉冲周期为1000ns，在电荷转移阶段开始时空余一个像元周期。一帧总的周期为(1+2100)×1000ns+500ns+1500ns+500ns=2103500ns即为21035个主计数，为方便编程将帧计数个数扩展为像元计数的倍数，帧计数器为21040(多出的5个计数序列结尾)。帧计数器的范围是0～21039，像元计数器的范围是0～9。根据时序要求得出SH＿H＿1～SH＿H＿2为15～30,TRS＿1～TRS＿2为10～35,TP＿1～TP＿2为0～40。
由于输出时序信号要经过一个反向驱动器驱动，因此实际设计时在FPGA每路信号输出端也接上一个非门，保证输出信号的一致。并且为了使输出信号的相位差保持严格一致，同时消除毛刺，在信号输出端接上一个D触发器。
2 TCD1209D的硬件电路
由于TCD1209D的驱动时钟电压是5V,XC3S500E的输入输出IO口的电压为3.3V，驱动能力不足。必须增加驱动芯片才能使TCD1209D正常工作，增加驱动能力方法有如下几种:(1)三极管驱动;(2)电平转换芯片;(3)上拉电阻;(4)反相器驱动。其中反相器驱动方法电路简单、集成度高、驱动效果好，因此本文选用反相器74HC04来驱动TCD1209D。
74HC04是高速的硅栅CMOS器件并兼容低功耗肖特基的TTL(LSTTL)。内含6组相同的反相器。TCD1209D总共需要6路驱动信号，因此1片74HC04正好能满足要求。驱动电路图如图4所示。
3 仿真与测试
3.1 时序仿真
本文选用MODELSIM6.5E对设计的时序发生器进行仿真，ModelSim是业界优秀的HDL语言仿真软件，它能提供友好的仿真环境，是业界唯一的单内核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器[7]。它采用直接优化的编译技术Tcl/Tk技术、和单一内核仿真技术，编译仿真速度快，编译的代码与平台无关，便于保护IP核，个性化的图形界面和用户接口，为用户加快调错提供强有力的手段，是FPGA/ASIC设计的首选仿真软件。
图5是时序发生器的功能仿真时序图。其中图5(a)为电荷转移阶段时序，图5(b)为光积分阶段时序。
3.2 实测验证
为了进一步验证所设计的线阵CCD驱动的正确性，选用XILINX公司Spartan-3E系列的XC3S500E芯片来实现。
图6为在数字示波器上所观察到的CCD各驱动时序波形。可以看出所设计的时序满足TCD1209D的时序要求。
图7为在示波器上观察到的实测CCD信号。其中A为RS复位信号使能输出的复位电平，B为CP钳位信号使能输出的钳位电平，C则是像元的有效电平信号。在后续处理中用AD芯片分别采集钳位电平和像元有效电平信号，然后对其进行差值转换输出。即能得到该像元的感光数字量以便进一步的处理。
4 结束语
本文在分析TCD1209D型线阵CCD驱动时序的基础上，结合ISE12.4发开平台和Verilog HDL语言，设计了一个高灵敏度CCD驱动系统。经过设计输入、编译和仿真等步骤，将生成的时序通过JTAG加载电缆下载到XC3S500E芯片，再经74HC04反相器驱动，将时序脉冲转变成满足TCD1209D时序要求的逻辑驱动信号，完成并实现了TCD1209D驱动模块的软件及硬件设计。仿真和实测结果表明，本文所设计的驱动系统产生的各时序信号满足线阵CCD-TCD1209D芯片手册的驱动要求。
本文设计的驱动系统具有很强的通用性和灵活性，采用FPGA实现，无需改变其硬件电路，只需对FPGA芯片重新编程，就可以满足不同CCD芯片的驱动要求。并且在后续对CCD信号进行采样控制中，可以根据CCD时序控制信号与CCD输出信号的延时，在FPGA内部对AD采样信号进行严格的时间控制，更加精确地对钳位电平和像元信号电平进行采样。
摘要：CCD应用的关键问题之一就是驱动电路的设计。以TCD1209D为例,设计并实现了一种CCD驱动模块。通过对TCD1209D芯片的时序分析,在ISE12.4开发平台上,运用Verilog HDL语言设计了TCD1209D的驱动逻辑电路,并构建了TCD1209D驱动模块的硬件电路。最后将设计的逻辑电路下载到XILINX公司的XC3S500E芯片上进行验证与实现。测试结果表明驱动电路能驱动TCD1209D正确工作并输出模拟图像信号。
关键词：CCD驱动模块,TCD1209D,XC3S500E,FPGA
参考文献
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