面向高分辨率面陣CCD的新型信號采集系統(tǒng)設(shè)計

      電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是一種金屬－氧化物－半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的新型圖像傳感器器件。它能存儲由光產(chǎn)生的信號電荷，當(dāng)對它施加特定的時序信號時，其存儲的信號電荷便可在CCD內(nèi)部作定向傳輸而實現(xiàn)自掃描。由于它具有幾何精度高、穩(wěn)定性好、噪音小等優(yōu)點，因而在遙感遙測、天文測量、非接觸工業(yè)測量、光學(xué)圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來隨著大面陣CCD生產(chǎn)工藝水平的提高和價格的下降，極大地促進(jìn)了數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)等新興消費類電子產(chǎn)品的發(fā)展，并迅速形成驚人的市場規(guī)模。本文主要討論面向高分辨率面陣CCD的一種新型信號采集系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)。該系統(tǒng)可用于數(shù)碼相機(jī)以及對分辨率要求較高的圖像處理場合。

1 系統(tǒng)設(shè)計
　　系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示，被觀測物經(jīng)過光學(xué)鏡頭映射在CCD圖像傳感器的光敏陣列上，通過CCD內(nèi)部將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)時序發(fā)生器對其施加特定時序的脈沖時，每個像素的電荷信號將被依次移出CCD并經(jīng)放大變成電壓幅度不等的模擬信號。這些信號將會被送到外部獨立的模擬前端(AFE)電路并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這些數(shù)字信號就是傳感器捕捉到的原始圖像信息。在本系統(tǒng)中，采用AD公司新近推出的AD9995芯片，它集成了時序發(fā)生器、模擬前端以及A/D轉(zhuǎn)換器的功能。AD9995中的時序發(fā)生器(Time Generator)產(chǎn)生CCD的驅(qū)動脈沖(V1～V6，H1～H4)，CCD在驅(qū)動脈沖的作用下輸出像素電壓信號給AD9995，由AD9995內(nèi)部的模擬前端電路調(diào)理后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生數(shù)字信號并行輸出;之后這些數(shù)字信號通過DSP的PPI接口，在DSP中的DMA控制器控制下，高速存儲到DSP的外部存儲器SDRAM中，以待進(jìn)一步的圖像處理。

2系統(tǒng)硬件組成及實現(xiàn)
2.1 ＣCD芯片
　　本系統(tǒng)采用的ICX432DQF是SONY公司生產(chǎn)的一款3.24M有效像素的行間傳送面陣CCD(如圖2所示)，它具有高感光度，暗電流非常小，并帶有電子快門功能，要求的水平驅(qū)動時鐘頻率為24.3MHz，需要六相垂直驅(qū)動脈沖和兩相水平驅(qū)動脈沖來驅(qū)動。V1～V6為垂直脈沖輸入引腳，H1、H2為水平脈沖輸入引腳。在CCD曝光成像之后，首先會在驅(qū)動脈沖的作用下將每一列成像勢阱中的電荷移送到旁邊的垂直寄存器(掩膜阱)中，在垂直驅(qū)動脈沖的作用下，垂直寄存器組中所有像素電荷向下移動一行，此時最下邊一行的像素電荷便被移送到水平寄存器中；之后在水平驅(qū)動脈沖的作用下，水平寄存器中電荷被依次移出，經(jīng)放大形成電壓信號由VOUT引腳輸出，水平寄存器被移空后，所有余下的電荷又被下移一行，然后水平寄存器中的電荷再依次被移出。重復(fù)這個過程直至所有像素電荷被移出。

根據(jù)此款CCD的要求給其提供不同的垂直驅(qū)動脈沖組合，CCD可以按三種不同的方式輸出圖像：幀輸出模式、高速輸出模式和聚焦輸出模式。幀輸出模式下，CCD的所有有效像素電荷全部輸出，圖像具有最高的分辨率，在輸出的過程中整幀圖像分成三個場分別輸出，之后再重組成一幅圖像，此時的輸出速度可達(dá)5幀/秒；高速輸出模式下圖像的輸出速度可達(dá)30幀/秒，在此模式下并不是將全部像素電荷輸出，相當(dāng)于每六行輸出一行，高速輸出模式可以滿足數(shù)碼相機(jī)的預(yù)覽功能；還有一種是為了實現(xiàn)圖像快速聚焦功能的聚焦輸出模式，此種模式下只將CCD中心區(qū)域的像素電荷輸出，輸出速度可達(dá)60幀/秒。
2.2 時鐘驅(qū)動和模擬前端模塊
　　AD9995是一種面向數(shù)碼相機(jī)和便攜式錄像機(jī)開發(fā)的高度集成的CCD信號處理器。它由帶A/D轉(zhuǎn)換器的模擬前端(AFE)和一個可編程的時鐘發(fā)生器兩大功能模塊組成。由于AD9995把時序發(fā)生器和AFE集成在一塊芯片上(如圖3所示)，不但可減小PCB板的尺寸，同時也使高速信號在傳輸與處理時的噪聲得以降低，并減小了耗電量。在CCD工作前，有關(guān)驅(qū)動脈沖的參數(shù)需由DSP通過三線式串行接口寫入時序發(fā)生器的相應(yīng)寄存器組中。通過外接主時鐘CLI，AD9995將產(chǎn)生CCD所需的水平及垂直驅(qū)動脈沖以及AFE驅(qū)動時鐘。模擬前端包括暗電流箝位器、雙相關(guān)采樣器、增益放大器和一個12位的A/D轉(zhuǎn)換器。

　CCD水平驅(qū)動脈沖的周期和脈寬是固定不變的，而六相垂直驅(qū)動脈沖卻是變化多樣，每相垂直驅(qū)動脈沖的上升沿和下降沿時刻均會有所不同，在這里通過四個步驟設(shè)置AD9995中相應(yīng)的寄存器組來產(chǎn)生CCD所需要的驅(qū)動脈沖。第一步通過VPAT0～VPAT9這10個寄存器組產(chǎn)生多至10組不同垂直驅(qū)動脈沖組合(如圖4所示),每一種組合中的垂直驅(qū)動脈沖V1～V6的上升沿和下降沿時刻均可分別定義。等二步在第一步定義的脈沖組合的基礎(chǔ)上組成不同垂直脈沖序列V－SEQUENCE(如圖5所示)。對應(yīng)一個垂直脈沖序列選擇一組垂直脈沖組合，并定義垂直脈沖組合在垂直脈沖序列中的起始時刻以及重復(fù)次數(shù)。第三步為一場(FIELD)圖像中的不同區(qū)域指定相應(yīng)的垂直脈沖序列(如圖6所示)。每一個場圖像可以包含多達(dá)7個不同的區(qū)域(RIGEON)；至多可以定義6個不同的圖像場。最后通過模式寄存器的設(shè)置把不同的場組成圖像輸出(如圖7所示)。在ICX432DQF的幀輸出模式中，根據(jù)驅(qū)動脈沖要求，分別定義5組垂直脈沖組合、5組垂直脈沖序列、3個圖像場，最后通過模式寄存器把這些驅(qū)動信號整合。
　　在驅(qū)動脈沖的作用下，從CCD輸出的像素模擬電壓信號由CCDIN引腳輸送到AD9995的DIN引腳，經(jīng)AFE采樣、放大和A/D轉(zhuǎn)換后，由DOUT引腳以12位數(shù)字量輸出。
2.3 DSP及高速圖像數(shù)據(jù)的存儲
　　由于圖像的數(shù)據(jù)量非常巨大，而且要以24MHz的高速率將每一像素的數(shù)據(jù)輸出，所以高速圖像數(shù)據(jù)的實時存儲是圖像采集系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用ADI公司新近推出的ADSP-BF533高性能數(shù)字信號處理芯片及外接SDRAM存儲器來實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的傳輸與實時存儲。通常為使CCD輸出的高速數(shù)據(jù)流與外部總線接口較低的傳輸速度相匹配，必須使用FIFO作為數(shù)據(jù)緩沖器，之后再由DSP讀取。然而，利用ADSP_BF533系列DSP芯片中的PPI(Parallel Peripheral Interface)卻可以很容易地實現(xiàn)DSP與高速ADC和DAC的無縫連接。通過PPI和DMA的組合使用，可以有效地獲取、存儲和傳輸圖像數(shù)據(jù)，大大減少了實時圖像處理應(yīng)用中內(nèi)核處理器的開銷，可編程和可設(shè)置性也減少了外部元器件。在系統(tǒng)中，由AD9995并行輸出的高速數(shù)據(jù)送到DSP的PPI，并在直接存儲控制器(DMA)的控制下寫入SDRAM存儲器。

2.3.1 PPI接口功能與原理
　　ADSP_BF533芯片提供的PPI是一種多功能并行接口，數(shù)據(jù)線寬度可以在8位～16位之間設(shè)置。PPI支持雙向數(shù)據(jù)流，能夠與高速A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器或其它通用外圍設(shè)備直接并行連接，適合大量數(shù)據(jù)的高速連續(xù)輸入與輸出。它包括三條同步信號線和一個與外部時鐘相連的時鐘引腳。在本系統(tǒng)中，PPI時鐘由AFE9995的像素輸出時鐘DCLK驅(qū)動，PPI可以在驅(qū)動時鐘頻率高達(dá)65MHz的情況下接收數(shù)據(jù)，所以完全能夠滿足本系統(tǒng)中CCD 24MHz速率的像素數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)寬度設(shè)置PPI的數(shù)據(jù)線寬度為12位，由AD9995輸出的水平同步信號HD和垂直同步信號VD分別輸入PPI的PPI_FS1和PPI_FS2同步信號引腳(如圖8所示)。
　　從CCD輸出的像素信號并不都是有用的，每一行中在有效像元前后都存在一些黑(OPTICAL BLACK)像素，和一些啞(DUMMY)像素，同樣在一場有效輸出前后也存在著一些啞行，所以由AFE輸出的有效圖像數(shù)據(jù)中間有一定的行間隔和場間隔。當(dāng)HD同步信號輸入到PPI的FS1后，需要等待若干時鐘周期才開始有效像元數(shù)據(jù)的傳輸，這時可通過延遲計數(shù)寄存器(PPI_DELAY)來設(shè)置需要等待的時鐘周期數(shù)。另外，還要在PPI_COUNT和PPI_FRAME寄存器中分別設(shè)定每一行的像素數(shù)和每一場圖像的行數(shù)，這樣便確定了每一次PPI調(diào)用中所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。

2.3.2 DMA的調(diào)用
　　在CCD數(shù)據(jù)采集這種數(shù)據(jù)量非常大的情況下，PPI 接口只有在DMA引擎的配合下，系統(tǒng)才能發(fā)揮它的高效能。雖然對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行的傳輸也可由軟件實現(xiàn)，但將消耗掉大量的CPU時鐘周期，使DSP的高速數(shù)據(jù)處理能力難以發(fā)揮。因為有了DMA獨立負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸，在系統(tǒng)內(nèi)核對DMA初始設(shè)置并啟動后，便不再需要內(nèi)核參與，DMA控制器直接把圖像數(shù)據(jù)從PPI接口傳輸至SDRAM存儲器進(jìn)行存儲。于是，在有效地解決了大批量圖像數(shù)據(jù)傳輸這一速度瓶頸的同時，又能讓DSP處理器專心從事算法處理工作，極大地提高了系統(tǒng)的并行性能。
　　ADSP-BF533的DMA可以控制六種類型的數(shù)據(jù)傳輸：內(nèi)部存儲器之間、內(nèi)部存儲器－外部存儲器、存儲器－SPI接口、存儲器－SPORT接口、存儲器－UART接口、存儲器－PPI接口。本系統(tǒng)使用PPI接口與外部存儲器SDRAM之間的DMA傳輸。DMA的建立需要如下步驟：(1)設(shè)置寄存器DMA1_0_START_ADDR_REG，寫入目標(biāo)地址值；(2)設(shè)置寄存器DMA1_0_X_COUNT_REG，寫入傳輸次數(shù)；(3)設(shè)置寄存器DMA1_0_X_MODIFY_REG，寫入每次數(shù)據(jù)傳