新型數字CCD相機及其圖像數據傳輸卡設計

隨著(zhù)ＣＣＤ技術(shù)的發(fā)展，頻率高、數字化的新型ＣＣＤ相機不斷出現。ＣＣＤ相機輸出的數字化，簡(jiǎn)化了相機與傳輸采集系統的接口設計，使數字ＣＣＤ相機正越來(lái)越多地成為實(shí)時(shí)ＰＣＩ控制、數據采集、圖形圖像處理、遙感遙測等系統中的探測器。這種ＣＣＤ相機多采用幀轉移型體系結構，轉換速度快，量化精度、量子效率高。準確理解相機的接口信號及其時(shí)序關(guān)系，掌握其圖像數據傳輸卡的原理及實(shí)現方法，可大大拓寬數字ＣＣＤ相機的應用領(lǐng)域，提高應用系統的靈活性。

１ 數字ＣＣＤ相機及其接口技術(shù)

在本系統中使用ＤＡＬＳＡ公司生產(chǎn)的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數字ＣＣＤ相機。該相機是一種幀轉移型的ＣＣＤ相機，相機的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機內部采用了相關(guān)雙采樣（ＣＤＳ）、垂直反暈（ＶＡＢ）等技術(shù)，大大提高了相機的成像品質(zhì)。相機輸出經(jīng)過(guò)采樣、量化的數據，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４Ｈｚ，電子快門(mén)。相機內部由ＣＣＤ圖像傳感器、驅動(dòng)器、定時(shí)器、Ａ／Ｄ轉換等模塊組成。其接口信號分為兩類(lèi)：用戶(hù)總線(xiàn)接口信號和數據總線(xiàn)接口信號。

用戶(hù)總線(xiàn)接口信號包括：

?ＥＸＳＹＮＣ觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。當ＥＸＳＹＮＣ固定接低電平時(shí)，相機以最大幀速率輸出圖像數據；當ＥＸＳＹＮＣ正負交替時(shí)，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。

?ＰＲＩＮ像元復位信號，為可選信號。在兩次ＥＸＳＹＮＣ有效之間復位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時(shí)間。ＰＲＩＮ低有效，在其上升沿開(kāi)始有效曝光。如果ＰＲＩＮ固定接高電平，積分時(shí)間最大；如果ＰＲＩＮ被固定接低電平，探測器收集不到任何圖像信息。

?ＢＩＮ像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會(huì )降低相機的空間分辨率，但會(huì )增強探測器對光的敏感性。ＢＩＮ信號高有效，不用時(shí)將其接為低電平。

以上信號均由應用系統產(chǎn)生，送給相機，為應用系統根據需要設定相機的工作模式提供了手段。

數據總線(xiàn)接口信號為相機輸出信號，包括：

?ＤＡＴＡ０～１１１２位數據總線(xiàn)。ＤＡＴＡ０～１１是相機輸出的、分別對應目標某個(gè)像元灰度的１２位圖像數據。

?ＳＴＲＯＢＥ像元時(shí)鐘信號。ＳＴＲＯＢＥ是圖像數據的像元時(shí)鐘。它的頻率與數據速率相同，即使數據無(wú)效，ＳＴＲＯＢＥ仍然連續交變。為了獲得有效的圖像數據，傳輸卡應在ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ為高電平時(shí)，在ＳＴＲＯＢＥ的下降沿進(jìn)行數據鎖存。

?ＦＶＡＬ幀同步信號。ＦＶＡＬ高電平表明相機正輸出一幀有效數據。

?ＬＶＡＬ行同步信號。當ＦＶＡＬ為高電平時(shí)，ＬＶＡＬ高電平表明相機正輸出一個(gè)有效的像元行。在兩個(gè)有效行之間，ＬＶＡＬ會(huì )變低跳過(guò)幾個(gè)無(wú)效的像元，跳過(guò)的像元數取決于相機的型號和預觸發(fā)設定。

圖像數據傳輸卡正是利用這些接口信號來(lái)實(shí)現對相機的控制及圖像數據的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按ＲＳ４２２規范以差分方式在數字相機和圖像傳輸卡間進(jìn)行傳輸，傳輸電纜為１００Ω屏蔽雙絞線(xiàn)。圖１表示了相機接口信號之間的時(shí)序關(guān)系。

當ＰＲＩＮ由低電平向高電平跳變時(shí)，相機開(kāi)始曝光。達到設定的曝光時(shí)間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號變低，觸發(fā)幀讀出。此時(shí)相機首先進(jìn)行幀轉移，幀轉移一結束，輸出信號ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數據幀開(kāi)始，ＬＶＡＬ由低變高表示相機正輸出有效像元行。當ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ再一次變低時(shí)，表示一幀數據輸出結束，可以開(kāi)始第二次觸發(fā)幀讀出（使ＥＸＳＹＮＣ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉移結束后與第二次幀讀出啟動(dòng)前這段時(shí)間進(jìn)行，曝光時(shí)間在一定范圍內可調。