基于XRD4460的CCD視頻信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)

1引言

CCD(Charge Coupled Device)電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體大規(guī)模集成光電器件。由于它在圖像信息的攝取、記錄方面獨(dú)具特色，同時(shí)又具有體積小、功耗小、分辨率高、靈敏度高、可靠性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在科學(xué)、天文、工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

CCD輸出的視頻信號(hào)中除了有用的圖像信號(hào)外，還包括很高的直流分量和噪聲。若不進(jìn)行處理，將嚴(yán)重影響傳感器的圖像質(zhì)量，因此CCD視頻信號(hào)的噪聲處理十分重要。CCD視頻信號(hào)處理的目的就是盡可能地消除各種噪聲和干擾，但又不能損失圖像細(xì)節(jié)；并且保證在CCD的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)圖像信號(hào)隨著目標(biāo)亮度成線性變化，同時(shí)為了便于計(jì)算機(jī)處理和大容量存儲(chǔ)，還必須對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理^[1]。這些功能若由分立電路實(shí)現(xiàn)，則電路復(fù)雜、調(diào)試不方便、價(jià)格昂貴、功耗大等缺點(diǎn)是顯而易見的，這與CCD相機(jī)向著功能更強(qiáng)大、性能更完善、價(jià)格更便宜、功耗更低的發(fā)展趨勢(shì)是相悖的。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，為了解決CCD視頻信號(hào)噪聲處理問題，許多公司（Exar,Kodak,Burr-Brown,TI等）相繼開發(fā)了功能齊備的專用CCD視頻信號(hào)處理芯片，將各種功能電路集成在一塊芯片上，這樣不僅大大簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路，降低了CCD相機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，而且使CCD相機(jī)的功能更強(qiáng)大，性能更優(yōu)越。

本文主要分析了專用CCD視頻信號(hào)處理芯片XRD4460的功能及特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于XRD4460的CCD視頻信號(hào)處理電路。

2 XRD4460的特點(diǎn)及功能

XRD4460是Exar公司推出的專用CCD視頻信號(hào)處理芯片。它帶

有一個(gè)1O位A／D轉(zhuǎn)換器，最高采樣速率高達(dá)16MHz，內(nèi)置高帶寬的差分相關(guān)雙采樣器(CDS)和8位的數(shù)字可編程增益放大器(PGA)。模擬偏移量可控制，差分信號(hào)輸入，差分外部時(shí)鐘，片內(nèi)帶有輸入緩存和采樣／保持器，1O位并行數(shù)據(jù)輸出。由于其功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字靜態(tài)相機(jī)和PC錄像會(huì)議相機(jī)等數(shù)字成像系統(tǒng)中。XRD4460的功能框圖如圖1所示，其功能主要包括。

（1） 相關(guān)雙采樣（CDS，correlated double sampling）：CCD輸出信號(hào)中的主要有光子噪聲、陷阱噪聲、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲。其中光子噪聲、陷阱噪聲是由器件和工藝造成的，不易處理，而暗電流噪聲與器件的環(huán)境溫度有關(guān)，所以信號(hào)處理電路主要對(duì)復(fù)位噪聲（亦稱KTC噪聲）進(jìn)行抑制^[2]。為了降低復(fù)位噪聲，XRD4460采用了相關(guān)雙采樣技術(shù)。相關(guān)雙采樣的原理是由于復(fù)位噪聲表現(xiàn)在同一像素周期內(nèi)近似常數(shù)（即具有相關(guān)性），但是對(duì)于不同的像素周期是隨機(jī)變化的。所以，只要在同一像素周期內(nèi)的暗電平參考區(qū)間和信號(hào)電平區(qū)間進(jìn)行兩次采樣，那么這兩次采樣的復(fù)位噪聲是相關(guān)的，將兩個(gè)采樣電平經(jīng)差動(dòng)放大器輸出，得到的信號(hào)就是真實(shí)的視頻信號(hào)。這一過程把與參考電平和信號(hào)電平都相關(guān)的復(fù)位噪聲濾除了，而且對(duì)低頻噪聲也有一定的濾除效果^[3]。

（2）可編程增益控制PGA (programmable gain amplifier)： 輸入到ADC的視頻信號(hào)的電壓是由CCD輸出信號(hào)的電壓和信號(hào)處理的系統(tǒng)增益、偏置決定的。因?yàn)镃CD輸出信號(hào)的大小隨著入射照度的強(qiáng)弱而改變，只有通過信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行增益、偏置地調(diào)節(jié)．才能使輸出的數(shù)字圖像的亮度和對(duì)比度滿足要求。XRD4460的增益控制由可編程增益放大器PGA完成，增益范圍為6dB～38dB，由8位增益寄存器控制，通過串口來設(shè)定。當(dāng)輸入增益碼Code=00H時(shí)，系統(tǒng)存在固有6dB增益，增益控制碼每增加一個(gè)碼字，系統(tǒng)增益增加0.125dB，從而實(shí)現(xiàn)可編程增益控制。

（3）暗電平自動(dòng)校正：由于光強(qiáng)、溫度、供電電壓的緩慢變化都會(huì)使視頻輸出信號(hào)的暗參考電平出現(xiàn)波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中，需要暗參考電乎維持一個(gè)固定電平，暗參考電平校正過程亦即直流電平恢復(fù)過程。通過情況下，CCD輸出視頻信號(hào)的開始部分或結(jié)束部分會(huì)分布若干個(gè)暗電平參考像元。XRD4460通過CLAMP信號(hào)的高電平與輸出信號(hào)的暗參考像素對(duì)應(yīng)，選擇合適的外部耦合電容參數(shù)，將使整行的暗參考電平保持在一個(gè)固定電平上。

（4）數(shù)字偏置控制：若CCD工作于弱光條件下，即使信號(hào)的增益很大，經(jīng)過視頻信號(hào)處理后的電壓仍可能低于ADC的下參考電壓，這樣使輸出視頻圖像產(chǎn)生失真。為了提高弱光條件下的灰度分辨率，需要使輸出視頻信號(hào)的暗參考電平高于ADC的下參考電壓，那么僅僅調(diào)整增益是不夠的，還需要對(duì)視頻輸出信號(hào)的偏置進(jìn)行調(diào)整。XRD4460的偏置調(diào)整同樣是通過串口編程控制片內(nèi)8位偏置寄存器。電源上電后默認(rèn)的偏置設(shè)置值位08H，偏置調(diào)整范圍為02H～08H。

(5) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換：XRD4460內(nèi)部集成了10位分辨率、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器，由于利用對(duì)分搜索的原理，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16MHz，這樣的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度適合于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合。

(6) 串行接口：XRD4460的串行接口包括了一個(gè)10bit的移位寄存器和多個(gè)并行寄存器，通過LOAD、SDI、SCLK三個(gè)信號(hào)來控制內(nèi)部寄存器的寫入，實(shí)現(xiàn)對(duì)XRD4460工作參數(shù)的編程控制。

3 CCD視頻信號(hào)處理電路的硬件設(shè)計(jì)

CCD視頻信號(hào)處理電路以專用CCD視頻信號(hào)處理芯片XRD4460為核心部件，完成CCD視頻信號(hào)的放大、噪聲處理以及數(shù)字化，并使用CPLD（可編程邏輯器件）技術(shù)完成整個(gè)電路的邏輯控制，配以先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)高速緩沖器，用于存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，并采用具有微控制器的USB接口芯片，從而通過USB接口將CCD數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)。CCD視頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)如圖2所示。大致可分為三個(gè)部分。

3.1 XRD4460視頻信號(hào)處理電路

XRD4460專用CCD視頻信號(hào)處理芯片的工作時(shí)序需要根據(jù)具體的CCD芯片來確定。圖2中，SHD、SHP、RST、CLAMP信號(hào)必須依據(jù)CCD輸出信號(hào)的時(shí)序來設(shè)計(jì)。其時(shí)序關(guān)系如圖3所示。CCD輸出信號(hào)經(jīng)過CCD信號(hào)處理器XRD4460處理， 即進(jìn)行雙相關(guān)采樣(CDS)去噪處理后，再經(jīng)增益放大以及偏置調(diào)整，然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在CPLD邏輯控制電路的控制下存人異步FIFO存儲(chǔ)器SN74V293中。而SDI、SCLK、LOAD是XRD4460的串口控制信號(hào)。通過串行接口，可以方便進(jìn)行編程控制XRD4460的增益與偏置的調(diào)整，從而改善輸出圖像的質(zhì)量。

3.2 FIFO與USB接口電路

高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機(jī)，需要通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù)。電路采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為6553618或1310729，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。設(shè)置SN74V293的輸入、輸出寬度為18位時(shí)，則其可存儲(chǔ)64K10位的數(shù)據(jù)。FIFO寫時(shí)鐘W和復(fù)位信號(hào)/RS的時(shí)序關(guān)系如圖4所示。USB接口電路采用Cypress公司推出的EZ-USB芯片CY7C68013A,該芯片把USB2.0收發(fā)器、串行接收引擎SIE（Serial Interface Engine）、帶16K的增強(qiáng)8051內(nèi)核、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口GPIF(General Programmable Interface)集成一體，將其作為USB外部設(shè)備的主控芯片，而無需外加微控制器（MCU）便可實(shí)現(xiàn)USB芯片通信初始化以及與主機(jī)的通信連接。 當(dāng)FIFO中存入數(shù)據(jù)時(shí)，USB接口電路根據(jù)其標(biāo)志信號(hào)（滿信號(hào)/半滿信號(hào)）讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給主機(jī)。

圖4 FIFO寫控制時(shí)序

3.3 CPLD邏輯控制電路

邏輯控制電路由CPLD采用VHDL硬件描述語言編程實(shí)現(xiàn)，完成整個(gè)電路的邏輯控制，主要包括三部分的功能。第一部分的功能是為XRD4460提供工作時(shí)序（如圖3）。第二部分功能是向FIFO提供寫時(shí)鐘W和復(fù)位信號(hào)/RS，控制數(shù)據(jù)的順利寫入。第三部分功能負(fù)責(zé)XRD4460的串口設(shè)置。在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)串行口和一個(gè)寄存器，其中串行口用來將寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送給XRD4460進(jìn)行功能設(shè)置；而寄存器用來存儲(chǔ)主機(jī)發(fā)送過來數(shù)據(jù)。主機(jī)通過CY7C68013A中的EP2端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

4 CCD視頻信號(hào)處理電路的軟件設(shè)計(jì)

USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分：USB外設(shè)端的固件（Firmware）、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBI（USB Device Interface）進(jìn)行通信，由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作；固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理^[4]。

4.1 USB接口編程

固件程序是USB芯片內(nèi)微處理器的控制程序，可采用匯編語言或單片機(jī)C語言設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，固件程序通過USB電纜下載到CY7C68013A的內(nèi)部RAM 中。

固件程序主要是實(shí)現(xiàn)USB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行USB通信時(shí)，會(huì)產(chǎn)生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器來判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個(gè)中斷主要用于與主機(jī)建立連接、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個(gè)中斷主要在批量傳輸時(shí)使用。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸。所有的中斷處理程序采用C語言進(jìn)行編寫。

4.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

首先開發(fā)CY7C68013A在主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)程序。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù)。

在應(yīng)用程序開發(fā)中，采用VC++編制應(yīng)用程序。把USB設(shè)備當(dāng)成文件來操作，利用CreateFile得到USB句柄，用DeviceIoControl來進(jìn)行控制傳輸，用ReadFile、WriteFile進(jìn)行批量傳輸。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一是完成采集的圖像的顯示；二是設(shè)置CCD視頻信號(hào)處理芯片，包括PGA增益、ADC偏置等工作參數(shù)的設(shè)置。

5 結(jié)束語

本文介紹了一種采用專用CCD視頻信號(hào)處理芯片和CPLD技術(shù)來設(shè)計(jì)的CCD視頻信號(hào)處理電路，并采用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且調(diào)試方便，易于實(shí)現(xiàn)。通過USB和CPLD技術(shù)對(duì)專用CCD視頻信號(hào)處理芯片的控制，實(shí)現(xiàn)了圖象亮度與對(duì)比度的可編程調(diào)節(jié)，改善了圖象質(zhì)量，提高了電路的整體性能，同時(shí)USB接口傳輸速率快，且易于計(jì)算機(jī)連接。因此，該電路可廣泛應(yīng)用于CCD相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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