KAI-02150的CCD模擬前端采集電路設(shè)計(jì)

摘要 針對(duì)Kodak公司生產(chǎn)的CCD圖像傳感器KAI-02150，設(shè)計(jì)了雙通道模擬前端采集電路。給出了電路的結(jié)構(gòu)組成，根據(jù)KAI-02150的驅(qū)動(dòng)和輸出參數(shù)要求設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的具體電路。通過(guò)SPI接口對(duì)AD9920A的寄存器進(jìn)行配置，可以滿足多種工作模式切換的需要。與傳統(tǒng)的CCD模擬前端采集方案相比，文中的設(shè)計(jì)更加靈活簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠。測(cè)試表明，設(shè)計(jì)的輸出驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘滿足KAI-02150的輸入要求，可以驅(qū)動(dòng)CCD輸出模擬信號(hào)，并完成相關(guān)雙采樣和A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字視頻信號(hào)。
關(guān)鍵詞 KAI-02150；CCD；模擬前端采集；AD9920A

KAI-02150圖像傳感器是Kodak公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全高清行間轉(zhuǎn)移CCD(Charge-coupled Device)，有效圖像分辨率為1 920×1 080，支持四通道輸出，圖像最高輸出幀率可達(dá)64fip·s-1，主要用于工業(yè)圖像、醫(yī)療圖像、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。
CCD的模擬前端采集電路設(shè)計(jì)主要用于對(duì)CCD提供水平和垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，放大調(diào)理CCD輸出的模擬信號(hào)，對(duì)CCD輸出模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供必要的幀和行的同步信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)字視頻信號(hào)的輸出。所以CCD模擬前端采集電路的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的最后成像質(zhì)量起著重要的作用。一般如SONY公司針對(duì)所生產(chǎn)的CCD都提供了相應(yīng)的前端采集電路的參考設(shè)計(jì)方案，但Kodak公司沒(méi)有在技術(shù)文檔中提供相關(guān)信息。文中針對(duì)KAI-02150的參數(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙通道模擬前端采集電路，性能穩(wěn)定可靠，模式設(shè)置方便靈活，減輕了軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。

1 KAI-02150圖像傳感器芯片簡(jiǎn)介
Kodak公司生產(chǎn)的KAI-02150是一款1080p的2／3”大小的逐行掃描行間轉(zhuǎn)移CCD傳感器，其主要特征有：噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍寬、成像性能出色、信號(hào)讀出結(jié)構(gòu)靈活，支持1、2或者4通道信號(hào)同時(shí)采集，全分辨率圖像最高采集速度可達(dá)64 fip·s-1。KAI-02150在水平時(shí)鐘頻率達(dá)到40 MHz時(shí)，其雙通道輸出幀率可以達(dá)到33 fip·s-1，完全滿足普通安防監(jiān)控的需要。

2 雙通道模擬前端采集電路的設(shè)計(jì)
2．1 模擬前端采集電路總體設(shè)計(jì)思路
KAI-02150在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的同時(shí)需要外部對(duì)其提供水平和垂直時(shí)鐘等驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得每個(gè)像素的模擬電壓值進(jìn)行串行輸出。CCD信號(hào)采集處理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直時(shí)鐘時(shí)序信號(hào)的同時(shí)對(duì)CCD模擬輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)的視頻同步信號(hào)。由于KAI-02150的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平要求與AD9920A時(shí)序信號(hào)輸出電平不相符，需設(shè)計(jì)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路對(duì)水平、垂直驅(qū)動(dòng)與電子快門等信號(hào)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)起到隔離、緩沖、提高帶負(fù)載能力等功能。在整個(gè)采集過(guò)程中，需要對(duì)AD9920A進(jìn)行初始化和對(duì)采集到的雙通道視頻信號(hào)進(jìn)行幀圖像的合成和預(yù)處理，文中使用FPGA精確控制AD9920A的初始化和視頻采集傳輸過(guò)程。

文中采用的模擬前端采集電路主要由CCD傳感器、時(shí)序控制采集電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。FPGA對(duì)模擬前端采集電路進(jìn)行初始化并對(duì)采集到的視頻進(jìn)行預(yù)處理。