應用CPLD及EPP技術(shù)對CCD信號像素級的高速采集

前言

CCD(Charge Coupled Device)，即電荷耦合器件，是20世紀70年代初發(fā)展起來(lái)的新型的固體成像器件，CCD芯片借助于必要的光學(xué)系統和合適的外圍驅動(dòng)與處理電路，可以將景物圖像，通過(guò)輸入面空域上逐點(diǎn)的光電信號轉換、存儲和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一時(shí)序視頻信號，并經(jīng)末端監視器同步顯示出人眼可見(jiàn)的圖像。隨著(zhù)CCD技術(shù)的迅猛發(fā)展，針對CCD信號的采集以及采集之后的信號如何與計算機進(jìn)行信息通信，就成為CCD應用的一個(gè)重要問(wèn)題，而能夠針對CCD每一個(gè)像素進(jìn)行高速采集并實(shí)時(shí)地傳輸給計算機處理，將會(huì )大大地提高采集到的CCD信號的精度并解決實(shí)時(shí)處理的問(wèn)題。

EPP技術(shù)和CPLD技術(shù)

EPP技術(shù)(增強型并行接口技術(shù))可以進(jìn)行高速的雙向數據傳輸，它可以區分兩種類(lèi)型的信息，并分別定義為數據和地址，而且它可以實(shí)現高速的方向轉換，因此非常適合數據采集領(lǐng)域。EPP可以在一個(gè)ISA總線(xiàn)周期內完成包括握手聯(lián)絡(luò )在內的一字節的數據讀寫(xiě)工作。數據線(xiàn)是雙向的，一個(gè)控制信號負責確定數據端口的方向，另外兩個(gè)控制信號則用來(lái)區分數據線(xiàn)上的數據和地址信息。EPP傳輸可以自動(dòng)生成控制信號并檢測對方的應答。EPP模式支持4種操作，分別是地址寫(xiě)入、數據寫(xiě)入、地址讀取及數據讀取。數據讀寫(xiě)一般用于主機與外設之間的數據傳送，地址的讀寫(xiě)一般用于地址、通道、命令和控制信息的傳送。當EPP模式要寫(xiě)入一個(gè)數據字節，需要將數據寫(xiě)入EPP數據寄存器，寫(xiě)操作將導致接口開(kāi)啟一個(gè)完整的數據寫(xiě)入周期。接口的硬件把待寫(xiě)入數據置于D0～D7，然后接口自動(dòng)觸發(fā)握手聯(lián)絡(luò )信號，并檢測外設的應答。讀取1字節和此類(lèi)似，對EPP數據寄存器進(jìn)行讀操作將引發(fā)一個(gè)完整的數據讀寫(xiě)周期。地址的傳輸過(guò)程和數據的傳輸過(guò)程基本上一樣。EPP的基地址通常是378h，接口使用的地址為378h～37fh。

CPLD(可編程邏輯器件)技術(shù)可以將數字電路集成到一塊芯片上，大大減小了電路板的體積，而且它的可編程性使得設計好的電路在升級和修改上變得非常簡(jiǎn)單和方便。在采集系統中將使用以上兩種技術(shù)并且結合A/D(模數轉換器)和FIFO(先入先出緩存器)來(lái)設計，很好地解決了CCD信號的采集和處理難題。

系統的構成和基本原理

CCD信號采集系統由以下幾個(gè)部分構成：CCD數字傳感器、A/D、FIFO、CPLD、計算機，如圖1所示。

當A/D接收到CCD信號并將CCD每一個(gè)像素點(diǎn)的電壓值轉換成12位精度的數字量，送入FIFO中，通過(guò)CPLD的邏輯控制解決FIFO和A/D之間的速度不匹配問(wèn)題，并控制FIFO的數據傳輸給計算機并行口。

CPLD對整個(gè)采集系統進(jìn)行控制，包括2選1數據選擇電路、工作觸發(fā)電路、CCD積分時(shí)間選擇電路、FIFO工作狀態(tài)控制電路，電路圖如圖2所示。當采集準備就緒，由CCD的采集使能脈沖對采集卡的各個(gè)芯片進(jìn)行初始化，此后，由CCD的采集脈沖通過(guò)AD的ENCODE端向AD發(fā)出采集脈沖，當AD一次采集完成之后DAV發(fā)出高脈沖，此脈沖作為FIFO的寫(xiě)脈沖信號。同時(shí)采集脈沖也向數字比較器中的計數器發(fā)出計數脈沖，并行口同時(shí)檢測采集脈沖和讀取脈沖的數目，當讀取脈沖的數目少于采集脈沖的數目時(shí)，并行口向FIFO中讀取數據，這樣既可以保證FIFO內不會(huì )殘留有數據，也可以保證讀寫(xiě)脈沖能以最短的時(shí)間結束，大大縮短了采集時(shí)間。一次采集完成之后，等待CCD發(fā)出下一次采集的指令。其中并行口向FIFO中讀取數據時(shí)，每次數據將分成2次讀取，每次讀取總位數的一半，并加上高低識別位，以使數據讀入計算機中后計算機能夠分別識別高低位。