用于天文觀(guān)測的CCD相機系統的研究

關(guān)鍵詞：CCD CPLD 相關(guān)雙采樣 控制系統 串口通信

引言

CCD通常分為3個(gè)等級；商業(yè)級、工程級和科學(xué)級。3個(gè)級別的要求一級比一級高。衡量CCD的性能主要從以下幾個(gè)方面：量子效率和響應度、噪聲等效功率和探測度，即動(dòng)態(tài)范圍和電荷轉移效率等?？茖W(xué)級CCD以其高光子轉換效率、寬頻譜響應、良好線(xiàn)性度和寬動(dòng)態(tài)范圍廣泛用于天文觀(guān)測，已成為望遠鏡測必不可少的后端設備。國內各天文臺望遠鏡終端都是從外圍引起的成套設備，使用和維護很不方便，并且價(jià)格昂貴，因此國內迫切需要發(fā)展自己的CCD技術(shù)。紫金山天文臺紅外實(shí)驗室對這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調研，認真選取，從芯片開(kāi)始一直到系統的軟硬件設計，搭建了自己的CDD相機系統。

1 系統設計

CCD芯片決定相機系統的性能，為此我們廣泛調研，最后選定柯達公司的KAF-0401LE芯片。它動(dòng)態(tài)范圍大（70dB），電荷轉移效率高（0.999 99），波長(cháng)響應范圍寬（0.4μm～1.0μm），低暗電流（在25℃條件下，7pA/cm2），量子效率為35%，并且具有抗飽和性，能夠滿(mǎn)足科學(xué)觀(guān)測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀(guān)測。

系統設計的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅動(dòng)和系統噪聲的問(wèn)題。我們的設計如下：采用柯達公司的KAF-0401LE芯片作為探測器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機控制器，復雜可編程邏輯作（CPLD）作時(shí)序發(fā)生和地址譯碼，采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉換順AD1674進(jìn)行模數轉換，擴展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過(guò)RS232與計算機串口通信，接受計算機的控制。整個(gè)系統由圖1所示幾個(gè)功能部件組成。

1.1 時(shí)序信號發(fā)生電路

KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平；行轉移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開(kāi)始φV1的第2個(gè)脈沖下降沿后，要有1個(gè)行轉移建立時(shí)間tφHs，讀完行后需延遲1個(gè)像素時(shí)間te才開(kāi)始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開(kāi)始下一行轉移，如此直到讀完1幀。

復雜可編程邏輯器件（CPLD）以其高度集成、靈活、方便的特點(diǎn)，在電路設計中運用越來(lái)越廣泛。Altera公司的復雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個(gè)可用邏輯門(mén)，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，最大時(shí)鐘可達147.1MHz，帶有68個(gè)可供用戶(hù)使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過(guò)JTAG接口實(shí)現在線(xiàn)編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過(guò)硬件描述語(yǔ)言（VHDL）在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MAX PLUS II下完成邏輯設計；編譯后，通過(guò)JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實(shí)現了KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求。

MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對某一應用而開(kāi)發(fā)的，具有通用性，調用它固有的元件庫可能造成資源的浪費，沒(méi)有必要。因此我們按照需求，編制了自己的元件庫，然后在程序中作為元件調用。在本系統中，僅用1片EPM7128LC84-15就實(shí)現了CCD的時(shí)序要求、暫存RAM和接口擴展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡(jiǎn)化恥電路的硬件設計，提高了系統可靠性，又降低了成本。交流時(shí)序條件要求如表1所列。

表1

1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路

我們采用能夠滿(mǎn)足高頻要求的放大器LF356N設計雙采樣和模擬放大電路。根據CCD的動(dòng)態(tài)范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數轉換。

雙采樣原理如圖2所示。RSL是CCD復位電平，光信號相當于SGL與RSL的差值，理論上只要分別在RSL和SGL處各采樣一次，然后相減便得到信號的值。然而，實(shí)際上RSL和SGL并不是理想的水平線(xiàn)，而是存在著(zhù)低頻起伏噪聲。為了降低噪聲的影響，通常的做法是，分別在RSL和SGL處多次采樣求平均，這樣對硬件和數據處理軟件的要求都很高。我們這里采用了積分型相關(guān)雙采樣技術(shù)，如圖3所示，CCD信號分別經(jīng)過(guò)同相和反相放大器連到模擬開(kāi)關(guān)輸入端。模擬開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)時(shí)，RSL通過(guò)電容積分;s2打開(kāi)時(shí)，SGL信號經(jīng)電容積分；s3打開(kāi)輸入端接地，信號保持不變；s4為復位開(kāi)關(guān)。積分放大器的輸入、輸出關(guān)系如下：

圖2中的積分輸出是相關(guān)雙采樣的輸出波形圖。采樣保持后通過(guò)A/D進(jìn)行模數轉換，經(jīng)8255口存在板上的RAM中。

1.3 電壓偏置電路

CCD驅動(dòng)信號的直流偏置電壓各不相同，CPLD產(chǎn)生的TTL信號必須經(jīng)過(guò)電壓變換才能加到CCD的輸入端。我們首先用LM317和LM337產(chǎn)生所需要的偏置電壓，然后經(jīng)過(guò)時(shí)鐘驅動(dòng)芯片DS0026轉換得到時(shí)序和偏置都符合CCD要求的信號，電路如圖4所示。

LM317用于輸出正相偏置電壓，LM337用于輸出負相偏置電壓，通過(guò)調節可變電阻R2阻值可得到我們所需的偏置電壓，計算公式如下：

其中，Iadj100μA,Vref=1.25V，圖4（a）中R1取240Ω，圖4（b）中R1取120Ω。

2 軟件編程

軟件是管理硬件的工具，硬件是實(shí)現軟件功能的基礎。本系統的軟件工作任務(wù)較重，從可編程邏輯器件的硬件描述語(yǔ)言編程、電路板上單片機的匯編程語(yǔ)言編程，到計算機上控制系統的Visual C++編程。

2.1 時(shí)序信號的VHDL語(yǔ)言編程

我們用VHDL編制CCD時(shí)鐘驅動(dòng)信號、圖像暫存RAM和接口擴展芯片8255的地址譯碼和片選信號，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MAXPLUS II中編譯，通過(guò)JTAG口下載到EPM7128SLC84-15中。下面給出實(shí)現CCD系統時(shí)序部分VHDL語(yǔ)言設計和時(shí)序仿真結果。VHDL語(yǔ)言編程基本上分為2個(gè)部分：實(shí)體說(shuō)明和結構體定義。實(shí)體說(shuō)明部分定義端口，結構體中實(shí)現邏輯設計。程序如下：

LIBRARY ieee； --包括的庫

USE ieee.std_logic_1164.all；

USE ieee.std_LOGIC_ARITH.ALL;

USE ieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITY kodak7128 IS --實(shí)體說(shuō)明部分

PORT --端口

（ clk:IN std_logic; 時(shí)鐘輸入

start:IN STD_LOGIC; --啟動(dòng)采集數據輸入

rc:OUT STD_LOGIC; --啟動(dòng)A/D變換輸出

s1,s2,s3,s4:OUT STD_LOGIC； --相關(guān)雙采樣模式時(shí)鐘輸出

v1:OUT STD_LOGIC; --CCD行轉移時(shí)鐘輸出

v2:OUT STD_LOGIC;

r :OUT STD_LOGIC;--CCD復位始終輸出

h1：OUT STD_LOGIC；--CCD像素轉換時(shí)鐘信號輸出

h2: OUT STD_LOGIC；

a,b,c：IN STD_LOGIC； --擴展RAM譯碼輸入

a2,a3,a4,a5,a6,a7：IN STD_LOGIC； --口擴展芯片8255地址譯碼片選輸入

a8,a9,a10,a11,a12,a13,a14,a15 : IN STD_LOGIC；

ram5,ram6,ram7:OUT STD_LOGIC; --擴展RAM及8255片選譯碼輸出

ram8,ram9,ram10,ram11,ram12,cs8255:out std_logic);

ARCHITECTURE mboard OF kodak7128try IS-結構體實(shí)現部分

--PROCESS定義邏輯

END mboard；

時(shí)序仿真結果如圖5所示。

2.2 下位機的匯編語(yǔ)言編程

89C51作為電路板上的靈魂，負責接收計算機傳來(lái)的命令，管理CCD數據的采集、接收、傳送。與計算機的通信通過(guò)串行口中斷實(shí)現，數據的采集通過(guò)外中斷實(shí)現。

事先需要定義好計算機與單 牒同的通信協(xié)議，在初始化程序中設置通信波特率、堆棧初始化以及寄存器初值，然后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，調用中斷子程序，實(shí)現預定功能。

當計算機有命令到來(lái)時(shí)，進(jìn)入串行中斷子程序，在中斷中根據預先定好的協(xié)議，判斷計算機發(fā)來(lái)的不同命令，調用不同處理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取數、停止取數。

2.3 CCD相機控制系統Visual C++編程

Windows以其操作簡(jiǎn)單、友好的圖形界面成為最流行的操作系統。Visual C++是目前公認最強大的Windows程序設計工具。我們用它開(kāi)發(fā)了相機控制系統。

首先定義人機接口的操作界面。在程序中主要分為數據的獲取、存儲與處理幾個(gè)方面，在數據的獲取方面我們專(zhuān)門(mén)定義一個(gè)串口通信類(lèi)，開(kāi)一個(gè)線(xiàn)程用于監聽(tīng)串口事件的發(fā)生，用于向下位單片機發(fā)送命令和接收數據。

3 測試結果

我們完成了從芯片到相機系統的軟硬件研制，初步測試，效果良好，對于發(fā)展我們自己的CCD技術(shù)做出有意義的探索和研究。圖6是相機CCD量子效率測試結果。