KAI-02150的CCD模擬前端采集電路設(shè)計

摘要 針對Kodak公司生產(chǎn)的CCD圖像傳感器KAI-02150，設(shè)計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)動和輸出參數(shù)要求設(shè)計了各個模塊的具體電路。通過SPI接口對AD9920A的寄存器進行配置，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)計更加靈活簡單、穩(wěn)定可靠。測試表明，設(shè)計的輸出驅(qū)動時鐘滿足KAI-02150的輸入要求，可以驅(qū)動CCD輸出模擬信號，并完成相關(guān)雙采樣和A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字視頻信號。
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)計主要用于對CCD提供水平和垂直驅(qū)動時鐘信號，放大調(diào)理CCD輸出的模擬信號，對CCD輸出模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供必要的幀和行的同步信號來進行數(shù)字視頻信號的輸出。所以CCD模擬前端采集電路的設(shè)計對于整個數(shù)字攝像機的最后成像質(zhì)量起著重要的作用。一般如SONY公司針對所生產(chǎn)的CCD都提供了相應(yīng)的前端采集電路的參考設(shè)計方案，但Kodak公司沒有在技術(shù)文檔中提供相關(guān)信息。文中針對KAI-02150的參數(shù)特點設(shè)計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)計的負擔(dān)。

1 KAI-02150圖像傳感器芯片簡介
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、動態(tài)范圍寬、成像性能出色、信號讀出結(jié)構(gòu)靈活，支持1、2或者4通道信號同時采集，全分辨率圖像最高采集速度可達64 fip·s-1。KAI-02150在水平時鐘頻率達到40 MHz時，其雙通道輸出幀率可以達到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
2．1 模擬前端采集電路總體設(shè)計思路
KAI-02150在進行光電轉(zhuǎn)換的同時需要外部對其提供水平和垂直時鐘等驅(qū)動信號，使得每個像素的模擬電壓值進行串行輸出。CCD信號采集處理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直時鐘時序信號的同時對CCD模擬輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)的視頻同步信號。由于KAI-02150的驅(qū)動信號電平要求與AD9920A時序信號輸出電平不相符，需設(shè)計時鐘驅(qū)動電路對水平、垂直驅(qū)動與電子快門等信號進行電平的轉(zhuǎn)換，同時起到隔離、緩沖、提高帶負載能力等功能。在整個采集過程中，需要對AD9920A進行初始化和對采集到的雙通道視頻信號進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程。

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