面向高分辨率面陣CCD的新型信號采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)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(diǎn)，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(fèi)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(jì)和實(shí)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(jì)
　　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(dú)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(shí)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(shí)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。