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

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、遙感遙測等系統(tǒng)中的探測器。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)動器、定時(shí)器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換等模塊組成。其接口信號分為兩類：用戶總線接口信號和數(shù)據(jù)總線接口信號。

用戶總線接口信號包括：

?ＥＸＳＹＮＣ觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。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，為可選信號。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，探測器收集不到任何圖像信息。

?ＢＩＮ像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會降低相機(jī)的空間分辨率，但會增強(qiáng)探測器對光的敏感性。ＢＩＮ信號高有效，不用時(shí)將其接為低電平。

以上信號均由應(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)總線接口信號為相機(jī)輸出信號，包括：

?ＤＡＴＡ０～１１１２位數(shù)據(jù)總線。ＤＡＴＡ０～１１是相機(jī)輸出的、分別對應(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。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。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。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會變低跳過幾個(gè)無效的像元，跳過的像元數(shù)取決于相機(jī)的型號和預(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來實(shí)現(xiàn)對相機(jī)的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按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)開始曝光。達(dá)到設(shè)定的曝光時(shí)間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號變低，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ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開始，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前這段時(shí)間進(jìn)行，曝光時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。