梁 冰, 易茂祥, 顏天信

(合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院,安徽合肥 230009)

線陣電荷耦合器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于航天、軍事及民用工業(yè)領(lǐng)域。民用方面主要應(yīng)用于印刷特征標(biāo)志、印刷套色、物體外觀缺陷、零件外形尺寸等非接觸檢測(cè)和圖像掃描輸入場(chǎng)合[1-3]。

研制高性能的CCD開發(fā)平臺(tái)是線陣CCD發(fā)展的新方向。本文系統(tǒng)利用CCD信號(hào)處理器進(jìn)行圖像采集,采用ALTERA的低成本PFGA為核心,使用硬件描述語言在ALTERA的QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境中對(duì)CCD進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)序控制,對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣控制。利用軟核處理器與SDRAM協(xié)調(diào)完成圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及與外圍設(shè)備通訊控制等。此平臺(tái)并行處理程度高,可實(shí)現(xiàn)高速處理,集成度高,硬件電路簡(jiǎn)單,避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用大量分立元件的繁瑣方式。

本設(shè)計(jì)將系統(tǒng)分為6大模塊：CCD光電轉(zhuǎn)換模塊、CCD圖像數(shù)據(jù)采集模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊、FPGA圖像處理與數(shù)據(jù)緩存模塊、I/O通訊模塊及電源模塊。本文主要介紹硬件結(jié)構(gòu)及原理。

1 系統(tǒng)硬件組成及原理

FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,需要提供CCD工作時(shí)鐘和CCD信號(hào)處理器的時(shí)鐘[4,5]以完成視頻信號(hào)的預(yù)處理,采樣量化后的數(shù)字信號(hào)通過FPGA的控制完成SDRAM與接口的通訊。為了使用靈活,配以多種外圍接口,包括Camera Link、USB、以太網(wǎng)口以及串口。系統(tǒng)框圖如圖1所示。首先利用FPGA產(chǎn)生CCD工作時(shí)鐘,通過調(diào)幅后的時(shí)鐘送入CCD中,CCD輸出的模擬信號(hào)通過CCD信號(hào)處理器經(jīng)過信號(hào)處理后,轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號(hào)輸入到FPGA中。整個(gè)平臺(tái)還配有SDRAM作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ),各種豐富的接口用來傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)功能框圖

FPGA實(shí)現(xiàn)功能的核心框圖如圖2所示。

圖2 FPGA功能結(jié)構(gòu)框圖

將FPGA資源分為4大部分來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。Nios處理器是用來實(shí)現(xiàn)USB、以太網(wǎng)的通訊及協(xié)同SDRAM完成圖像數(shù)據(jù)的緩存。而另外3部分則直接通過硬件描述語言對(duì)FPGA編程完成。本設(shè)計(jì)的FPGA選用ALTERA公司的第3代低成本FPGA EP3C16Q240C8,它是65 nm工藝的FQFP封裝240引腳的產(chǎn)品,且內(nèi)帶NiosⅡ軟核處理器。它包括 15408個(gè)邏輯單元,504 KBit存儲(chǔ)量、56個(gè)乘法器、4個(gè)PLL和20個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò),它還有160個(gè)I/O接口。經(jīng)過估算,此FPGA完全可以實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的要求。以上結(jié)構(gòu)顯示此系統(tǒng)方案充分體現(xiàn)了軟硬結(jié)合的特性,展現(xiàn)了利用FPGA進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上方案思路,本文選擇了具體芯片來完成系統(tǒng)的搭建。

2.1 CCD光電轉(zhuǎn)換與時(shí)序驅(qū)動(dòng)

本設(shè)計(jì)線陣CCD采用PerkinElmer的RL2048P是兩相陣列2048象元攝像器。選用該型號(hào)的原因是,它的感光面積大,信噪比高,靈敏度高,成像效果好,在單端輸出無拖曳動(dòng)態(tài)成像。像素?cái)?shù)據(jù)率達(dá)到40 MHz。輸出的圖像信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理器進(jìn)行高速A/D轉(zhuǎn)換,將模擬信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。RL2048P共需要6路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,即復(fù)位信號(hào)(QRG)、電荷轉(zhuǎn)移信號(hào)(QTG)、兩相時(shí)鐘信號(hào)(QH1,QH2)、電子曝光控制信號(hào)(QAB)、電荷轉(zhuǎn)移控制信號(hào)(QPG)。各驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的時(shí)序關(guān)系如圖3所示。

圖3 CCD工作時(shí)序

FPGA輸出的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘通過設(shè)計(jì)合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)幅。CCD需要的時(shí)鐘電平很多,達(dá)到7種之多。這是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn),本文采用CDC329A實(shí)現(xiàn)由QH1到QH2的反相,且擺幅也調(diào)整到高電平的+5 V,低電平的0 V。利用 TC4427EDA調(diào)整 QAB、QPG、QTG的幅值。而QRG的電平通過 TT L電路實(shí)現(xiàn)。

2.2 圖像數(shù)據(jù)采集與驅(qū)動(dòng)控制

CCD輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過三極管放大后的模擬前端電路,需要進(jìn)行相關(guān)雙采樣電路去除復(fù)位噪聲及低頻噪聲等,然后還需進(jìn)行增益調(diào)整放大,主要是為了在不同光照下使CCD信號(hào)較好地處在模數(shù)轉(zhuǎn)換的量程范圍內(nèi),從而使圖像不至于太暗或飽和[6-8]。本設(shè)計(jì)選用AD公司生產(chǎn)的專用的高性能CCD信號(hào)處理器AD9945,它除了具備上述功能外,還包括黑電平箝位電路和預(yù)匿影功能、對(duì)信號(hào)偏移進(jìn)行調(diào)整、對(duì)啞象元屏蔽等功能。最后通過精度12 Bit的ADC輸出數(shù)字信號(hào)。

AD9945所需的控制時(shí)鐘均由FPGA硬件實(shí)現(xiàn),輸出的數(shù)字信號(hào)將送入FPGA中。在模擬前端的相關(guān)雙采樣階段,利用SHP、SHD作為相關(guān)雙采樣時(shí)鐘,DATACLK作為數(shù)據(jù)輸出鎖存時(shí)鐘。CLPOB為黑像素箝位時(shí)鐘,PBLK則為預(yù)匿影時(shí)鐘。通過相關(guān)雙采樣電路及黑像素箝位后,CCD輸出的模擬信號(hào)有效抑制復(fù)位噪聲和低頻噪聲,下一級(jí)將進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在本設(shè)計(jì)中將CCD輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號(hào)。時(shí)鐘相位關(guān)系具體如圖4所示。

圖4 AD9945工作時(shí)序

2.3 I/O接口模塊

(1)Camera Link接口。Camera Link是一種基于LVDS(低電壓差分信號(hào))協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的用于數(shù)字相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)接口。實(shí)現(xiàn)Camera Link接口協(xié)議至少需要11對(duì)LVDS構(gòu)成。根據(jù)上述思想,FPGA需要完成CMOS電平到LVDS電平的轉(zhuǎn)換及8位并行數(shù)據(jù)到LVDS對(duì)的轉(zhuǎn)換。

ALTERA的低成本FPGA cyclone 3系列,提供了豐富的高速差分信號(hào)接口。其中內(nèi)置了LVDS轉(zhuǎn)換模塊,可將COMS信號(hào)轉(zhuǎn)換為低電壓差分信號(hào),用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。其中FPGA的左右模塊發(fā)送速度能達(dá)到840 Mb/s,接收速度達(dá)到875 Mb/s。

使用FPGA塊5、6的低電壓差分信號(hào)I/O實(shí)現(xiàn)LVDS接口通訊。ALT ERA EP3C16Q240C8可實(shí)現(xiàn) T TL/CMOS電平到LVDS電平的轉(zhuǎn)換,因此,本設(shè)計(jì)只需用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)一個(gè)串化器,將串行化后的數(shù)據(jù)送到專用的低壓差分信號(hào)接口輸出即可。用FPGA硬件實(shí)現(xiàn)Camera Link協(xié)議的原理如圖5所示。

圖5 Camera Link協(xié)議實(shí)現(xiàn)原理

(2)串口。本設(shè)計(jì)利用FPGA的NiosⅡ處理器完成對(duì)輸入串口數(shù)據(jù)的控制。利用MAX3221完成CMOS電平到串口電平的轉(zhuǎn)換。在此設(shè)計(jì)中采用DMA方式即直接存儲(chǔ)器方式完成串口數(shù)據(jù)的傳輸。使用DMA傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于存儲(chǔ)器不經(jīng)過微處理器直接將數(shù)據(jù)傳送至外部設(shè)備,一次DMA傳輸只需執(zhí)行1個(gè)DMA周期,因而能顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度。在ALT ERA的QUART USⅡ的SOPC Builder內(nèi)部集成了一個(gè)DMA控制器部件,可以用它來協(xié)調(diào)外設(shè)接口和存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)用NiosⅡHAL中DMA的API函數(shù)可方便地使用C語言編程,實(shí)現(xiàn)SDRAM存儲(chǔ)器與外設(shè)串口的數(shù)據(jù)傳輸。

(3)網(wǎng)口和 USB口。本設(shè)計(jì)采用的網(wǎng)口芯片是CRYSTAL公司生產(chǎn)的CS8900A以太網(wǎng)控制器,它是一款 Nios2可編程配置的芯片。CS8900A是用于嵌入式設(shè)備的低成本以太局域網(wǎng)控制器。它的高度集成設(shè)計(jì)使其不再需要其它以太網(wǎng)控制器所必需的昂貴外部器件。CS8900A包括片上RAM、10Base-T傳輸和接收濾波器,以及帶24 mA驅(qū)動(dòng)的直接ISA-總線接口。除此之外,CS8900A還提供其它性能和配置選擇。它獨(dú)特的Packet Page結(jié)構(gòu)可自動(dòng)適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信量模式的改變和現(xiàn)有系統(tǒng)資源,從而提高系統(tǒng)效率。

USB控制芯片選用的是Philips公司的單片串行總線ON-THE-GO控制器ISP1362,支持全速(12 Mb/s)和低速(1.5 Mb/s)的數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 電源模塊

系統(tǒng)輸入電源采用+15 V輸入,根據(jù)計(jì)算電路系統(tǒng)的功耗和電流驅(qū)動(dòng)能力選擇TPS54331作為開關(guān)電源,最大可提供3 A電流。由于該系統(tǒng)共需9種電壓源,所以為了保證系統(tǒng)的統(tǒng)一性,盡可能采用簡(jiǎn)單的方式來實(shí)現(xiàn),均采用 TLV1117實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。通過改變外接電阻的值來得到所需的電壓。

3 結(jié) 論

(1)從功能上看,本系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是CCD工作在40 MHz時(shí)鐘下,數(shù)據(jù)傳輸速率大、接口豐富。此系統(tǒng)既能滿足用戶對(duì)圖像采集后數(shù)據(jù)的分析研究,也可以通過FPGA算法實(shí)現(xiàn)圖像采集后的預(yù)處理,通過高速差分信號(hào)接口傳輸給下一級(jí)進(jìn)一步分析處理,從而實(shí)現(xiàn)開發(fā)平臺(tái)的多用途和多功能化。

(2)從硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)看,采用PCB四層板。模擬部分和數(shù)字部分分開布局。高速電路與低速電路盡量遠(yuǎn)離,且高速避免信號(hào)之間的干擾。

(3)經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)試,電源模塊工作穩(wěn)定,各芯片工作正常,各接口均可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,通過JTAG口和AS口能正常下載硬件程序和Nios程序。

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