面向高分辨率面陣CCD的新型信號采集系統設計

電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是一種金屬－氧化物－半導體結構的新型圖像傳感器器件。它能存儲由光產(chǎn)生的信號電荷，當對它施加特定的時(shí)序信號時(shí)，其存儲的信號電荷便可在CCD內部作定向傳輸而實(shí)現自?huà)呙?。由于它具有幾何精度高、穩定性好、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，因而在遙感遙測、天文測量、非接觸工業(yè)測量、光學(xué)圖像處理等領(lǐng)域得到了廣泛應用。近年來(lái)隨著(zhù)大面陣CCD生產(chǎn)工藝水平的提高和價(jià)格的下降，極大地促進(jìn)了數碼相機、數碼攝像機等新興消費類(lèi)電子產(chǎn)品的發(fā)展，并迅速形成驚人的市場(chǎng)規模。本文主要討論面向高分辨率面陣CCD的一種新型信號采集系統的軟硬件設計和實(shí)現。該系統可用于數碼相機以及對分辨率要求較高的圖像處理場(chǎng)合。
1 系統設計
　　系統的原理框圖如圖1所示，被觀(guān)測物經(jīng)過(guò)光學(xué)鏡頭映射在CCD圖像傳感器的光敏陣列上，通過(guò)CCD內部將光信號轉化為電信號。當時(shí)序發(fā)生器對其施加特定時(shí)序的脈沖時(shí)，每個(gè)像素的電荷信號將被依次移出CCD并經(jīng)放大變成電壓幅度不等的模擬信號。這些信號將會(huì )被送到外部獨立的模擬前端(AFE)電路并轉換為數字信號，這些數字信號就是傳感器捕捉到的原始圖像信息。在本系統中，采用AD公司新近推出的AD9995芯片，它集成了時(shí)序發(fā)生器、模擬前端以及A/D轉換器的功能。AD9995中的時(shí)序發(fā)生器(Time Generator)產(chǎn)生CCD的驅動(dòng)脈沖(V1～V6，H1～H4)，CCD在驅動(dòng)脈沖的作用下輸出像素電壓信號給AD9995，由AD9995內部的模擬前端電路調理后經(jīng)A/D轉換器產(chǎn)生數字信號并行輸出;之后這些數字信號通過(guò)DSP的PPI接口，在DSP中的DMA控制器控制下，高速存儲到DSP的外部存儲器SDRAM中，以待進(jìn)一步的圖像處理。

2系統硬件組成及實(shí)現
2.1 ＣCD芯片
　　本系統采用的ICX432DQF是SONY公司生產(chǎn)的一款3.24M有效像素的行間傳送面陣CCD(如圖2所示)，它具有高感光度，暗電流非常小，并帶有電子快門(mén)功能，要求的水平驅動(dòng)時(shí)鐘頻率為24.3MHz，需要六相垂直驅動(dòng)脈沖和兩相水平驅動(dòng)脈沖來(lái)驅動(dòng)。V1～V6為垂直脈沖輸入引腳，H1、H2為水平脈沖輸入引腳。在CCD曝光成像之后，首先會(huì )在驅動(dòng)脈沖的作用下將每一列成像勢阱中的電荷移送到旁邊的垂直寄存器(掩膜阱)中，在垂直驅動(dòng)脈沖的作用下，垂直寄存器組中所有像素電荷向下移動(dòng)一行，此時(shí)最下邊一行的像素電荷便被移送到水平寄存器中；之后在水平驅動(dòng)脈沖的作用下，水平寄存器中電荷被依次移出，經(jīng)放大形成電壓信號由VOUT引腳輸出，水平寄存器被移空后，所有余下的電荷又被下移一行，然后水平寄存器中的電荷再依次被移出。重復這個(gè)過(guò)程直至所有像素電荷被移出。

根據此款CCD的要求給其提供不同的垂直驅動(dòng)脈沖組合，CCD可以按三種不同的方式輸出圖像：幀輸出模式、高速輸出模式和聚焦輸出模式。幀輸出模式下，CCD的所有有效像素電荷全部輸出，圖像具有最高的分辨率，在輸出的過(guò)程中整幀圖像分成三個(gè)場(chǎng)分別輸出，之后再重組成一幅圖像，此時(shí)的輸出速度可達5幀/秒；高速輸出模式下圖像的輸出速度可達30幀/秒，在此模式下并不是將全部像素電荷輸出，相當于每六行輸出一行，高速輸出模式可以滿(mǎn)足數碼相機的預覽功能；還有一種是為了實(shí)現圖像快速聚焦功能的聚焦輸出模式，此種模式下只將CCD中心區域的像素電荷輸出，輸出速度可達60幀/秒。
2.2 時(shí)鐘驅動(dòng)和模擬前端模塊
　　AD9995是一種面向數碼相機和便攜式錄像機開(kāi)發(fā)的高度集成的CCD信號處理器。它由帶A/D轉換器的模擬前端(AFE)和一個(gè)可編程的時(shí)鐘發(fā)生器兩大功能模塊組成。由于A(yíng)D9995把時(shí)序發(fā)生器和AFE集成在一塊芯片上(如圖3所示)，不但可減小PCB板的尺寸，同時(shí)也使高速信號在傳輸與處理時(shí)的噪聲得以降低，并減小了耗電量。在CCD工作前，有關(guān)驅動(dòng)脈沖的參數需由DSP通過(guò)三線(xiàn)式串行接口寫(xiě)入時(shí)序發(fā)生器的相應寄存器組中。通過(guò)外接主時(shí)鐘CLI，AD9995將產(chǎn)生CCD所需的水平及垂直驅動(dòng)脈沖以及AFE驅動(dòng)時(shí)鐘。模擬前端包括暗電流箝位器、雙相關(guān)采樣器、增益放大器和一個(gè)12位的A/D轉換器。