基于USB的高清彩色CCD圖像采集系統(tǒng)

圖3中，IFCLK為Slave FIFO的接口時(shí)鐘。Slave FIFO接口時(shí)鐘信號(hào)既可由內(nèi)部提供，也可由外部提供。如果FX2LP設(shè)置為使用外部時(shí)鐘源，則IFCLK引腳可被用來提供5～48 MHz之間的任何頻率的時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)IFCLK被設(shè)置為輸入時(shí)，最小頻率為5 MHz。FIFOADR[1：0]引腳用來選擇EP2、EP4、EP6和EP8中的一個(gè)FIFO與數(shù)據(jù)總線FD連接。FULL和EMPTY引腳分別是FIFO的滿狀態(tài)和空狀態(tài)標(biāo)志，通過配置CY7C68013A內(nèi)部的相關(guān)寄存器可使得當(dāng)FIFO滿狀態(tài)或者空狀態(tài)的時(shí)候向外部控制器發(fā)送相應(yīng)的標(biāo)志。SLWR引腳是寫FIFO控制信號(hào)，當(dāng)SLWR被激活時(shí)，數(shù)據(jù)總線FD上的數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)IFCLK上升沿到來時(shí)被寫入FIFO。
INT1和PAUSE信號(hào)是為了協(xié)調(diào)高清圖像數(shù)據(jù)正常發(fā)送而引入的額外信號(hào)。系統(tǒng)中CCD圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)AD9824采樣后輸出14 bit數(shù)字信號(hào)，但數(shù)據(jù)中不包含圖像幀頭信息。為使主機(jī)應(yīng)用程序能夠準(zhǔn)確和完整地分離出圖像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是在EZ-USB FX2LP的INT1中斷服務(wù)程序中為每一幀圖像加入特定的幀頭。在EZ-USB在往FIFO里面寫入幀頭的過程中，不允許CPLD繼續(xù)讓AD向FIFO傳送數(shù)據(jù)，從而引入了PAUSE信號(hào)通知CPLD暫停傳送數(shù)據(jù)的操作。
本系統(tǒng)采用的模擬轉(zhuǎn)換器AD9824是一款14bits的高效CCD信號(hào)處理器，而FD[15：0]是16位的數(shù)據(jù)總線，在設(shè)計(jì)過程中，我們將高位數(shù)據(jù)線接地，低14位數(shù)據(jù)線接AD9824數(shù)據(jù)并行輸出數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
2．1 AD相關(guān)雙采樣
相關(guān)雙采樣(CDS)通過對(duì)每一個(gè)CCD像素點(diǎn)輸出信號(hào)采樣兩次來消除低頻噪聲的影響，它是根據(jù)CCD輸出信號(hào)和噪聲信號(hào)的特點(diǎn)而設(shè)計(jì)。圖4為相關(guān)雙采樣時(shí)序圖，圖中詳細(xì)的指出了相關(guān)采樣的時(shí)序要求。CCD每個(gè)像元的輸出周期都以復(fù)位脈沖信號(hào)開始T1，先清除前一個(gè)像素的電荷，以等待下一像素電荷的到來。此時(shí)的輸出信號(hào)被嵌入復(fù)位電平，并產(chǎn)生復(fù)位噪聲；在圖中T2期間，由于復(fù)位MOSFET漏電流的影響，復(fù)位電平有微小下降，這種現(xiàn)象稱為復(fù)位失調(diào)電壓。此時(shí)的輸出信號(hào)為復(fù)位電平與復(fù)位噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓的疊加；在T3期間，CCD電荷進(jìn)行水平轉(zhuǎn)移，此時(shí)混入移位時(shí)鐘干擾；T4期間的輸出為復(fù)位噪聲、復(fù)位失調(diào)電壓和有用光敏輸出信號(hào)的疊加。所以相關(guān)雙采樣的原理就是在T2和T4時(shí)刻對(duì)同一像素點(diǎn)的輸出信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將兩次采樣值相減就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾，得到信號(hào)電平的實(shí)際有效幅值。本系統(tǒng)選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9824內(nèi)部具有相關(guān)雙采樣電路，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中就是EPM3128產(chǎn)生如圖4所示的SHP、SHP、DATACLK采樣信號(hào)，即可完成相關(guān)雙采樣邏輯，很大程度降低了圖像數(shù)據(jù)中包含的噪聲信號(hào)。

2．2 USB固件程序設(shè)計(jì)
在USB接口設(shè)計(jì)中，USB固件編程是整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)的核心。USB固件程序用于完成USB設(shè)備的識(shí)別、重列舉、設(shè)備請(qǐng)求、USB協(xié)議處理、外部硬件的功能、負(fù)責(zé)與USB主機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信等。固件的設(shè)計(jì)就是使在USB總線上的傳輸能獲得最大的有效的數(shù)據(jù)傳輸速度。
設(shè)備上電之后，就會(huì)按照如下的步驟執(zhí)行固件：
1)初始化架構(gòu)全局變量；
2)調(diào)用TD_Init()初始化FX2LP芯片，調(diào)用用戶自定義的初始化函數(shù)，返回后USB設(shè)置為未配置狀態(tài)，并打開中斷；
3)在緊接著的1秒內(nèi)，重新枚舉USB設(shè)備，直到收到SETUP封包；
4)檢查設(shè)備請(qǐng)求，有請(qǐng)求則執(zhí)行相應(yīng)的功能，有的需要跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)函數(shù)；
5)檢查總線掛起事件，沒有掛起事件則執(zhí)行9)；
6)調(diào)用TD_Suspend()，返回失敗代碼則執(zhí)行9)；
7)掛起處理器；
8)檢查重新開始事件，事件發(fā)生則調(diào)用TD_Resume()，否則執(zhí)行7)；
9)調(diào)用TD_Poll，函數(shù)返回到4)并執(zhí)行。