基子線(xiàn)陣CCD的長(cháng)距離傳輸外總線(xiàn)的設計

線(xiàn)陣CCD在圖像傳感和測量技術(shù)領(lǐng)域的應用中發(fā)欣極為迅速。為滿(mǎn)足自適應測量的工程化需要，設計出了基于線(xiàn)陣CCD的單同軸電纜雙向時(shí)分復用傳輸外總線(xiàn)。

在數據采集測量系統中，CCD視頻信號的最大幅度需要調理到ADC的滿(mǎn)量程。CCD信號的最大幅值的決定因素有三個(gè)：CCD器件的光電靈敏度、光積分時(shí)間和屯照度。在選定CCD器件后，該值只取決于光積分時(shí)間和光照度。

在不同工作現場(chǎng)和工作現場(chǎng)的不同時(shí)段，光強是經(jīng)常變化的，如果CCD器件的光積分時(shí)間固定，則光照度的變化將導致CCD視頻輸出信號幅值的變化。而實(shí)際上所希望的是，在光照度變化的情形下，應保持視頻輸出信號最大幅值穩定，這可通過(guò)光積分時(shí)間的自適應控制來(lái)實(shí)現。 在CCD信號采用二值化數據處理和像元細分處理過(guò)程中，一幀數據中被檢測對象的量測信息往往在邊界特征和像元信號的幅度最值位置，故光積分時(shí)間的改變不影響靜態(tài)被測量。

1 CCD器件驅動(dòng)簡(jiǎn)介

現以TOSHIBA的TCDl501C為例進(jìn)行介紹，其驅動(dòng)脈沖波形如圖1所示。

當SH信號為低電平時(shí)，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)電極下的勢阱和存儲柵勢阱隔離，CCD處于光積分狀態(tài)；當SH為高電平時(shí)，SH電極下形成的深勢阱溝通了存儲柵勢阱和Φ1電極下的勢阱，信號電荷包全部轉到移位寄存器，而后在Φ1E，O，B和Φ1E，O，B脈沖的作用下依次移位，最后經(jīng)輸出電路由OS端輸出。

SH的脈沖周期即為光積分時(shí)間。以像元信號的幅值為被控制量，通過(guò)改變SH的脈沖周期使視頻輸出的幅度最值保持在A(yíng)DC的滿(mǎn)量程，從而實(shí)現光積分時(shí)間的自適應控制。

2 系統組成

該采集系統包括三大部分：CCD傳感頭、信號采集板和微型機。傳感頭和采集板之間采用單同軸電纜作為雙向復用傳輸總線(xiàn)，其原理框圖如圖2所示。

CCD的各驅動(dòng)信號由CPLD產(chǎn)生，視頻輸出經(jīng)過(guò)驅動(dòng)器進(jìn)入同軸電纜。信號采集板通過(guò)ISA口和微機接口，板上采用FPGA作為電路的邏輯控制器，光積分脈沖由FPGA產(chǎn)生，其周期的調節由FPGA的VHDL軟件或微機采集軟件控制。在接口協(xié)議的調控下，將CCD視頻信號和光積分脈沖信號雙向時(shí)分復用單同軸電纜作為信號和控制的傳輸總線(xiàn)。

3 總線(xiàn)的電氣接口原理

CCD傳感頭中晶振選定后，Φ1和Φ2的信號頻率也隨之確定，CCD像元視頻信號移位輸出時(shí)間也就固定了。例如：TCDl501C共5076個(gè)像元(除5000個(gè)曝光像元外，還有前64個(gè)和后12個(gè)啞元)， 晶振頻率為20MHz，CPLD輸出的Φ1和Φ2頻率為2．5MHz，視頻輸出速率為5MHz，所以一幀CCD信號輸出時(shí)間為5076／5MHz=1．0152ms。如果光積分時(shí)間為2ms，則在剩余近lms的時(shí)間內，CCD輸出的是空操作，視頻信號幅值接近箝位高電平?？偩€(xiàn)原理和控制信號定時(shí)關(guān)系圖如圖3所示。

系統在上電初始狀態(tài)設置同軸電纜兩端開(kāi)關(guān)電平，使光積分通道開(kāi)通。從定時(shí)關(guān)系中可見(jiàn)，光積分脈沖的下降沿啟動(dòng)ISA板和CCD傳感頭內部邏輯計數器，同時(shí)使電纜兩端開(kāi)關(guān)控制信號由光積分通道切換到CCD信號通道。因為CCD器件首先輸出的是一定數量的啞元信號，所選擇的SPDT(單刀雙擲)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)切換時(shí)間遠遠小于前面啞元信號的總輸出時(shí)間，故開(kāi)關(guān)切換到CCD信號通道的時(shí)間對于曝光像元信號的輸出沒(méi)有任何影響。當計數到5076或5064(不計后12個(gè)啞元)時(shí)，電纜兩端兩開(kāi)關(guān)控制信號再次變換極性，使電纜切換到光積分脈沖信號通道。其實(shí)，只要在下一個(gè)光積分脈沖到來(lái)前的空操作的任何時(shí)刻完成通道切換即可。

原本最顯然且直接的設計方案是采用另一條規范的總線(xiàn)(比如422總線(xiàn))來(lái)專(zhuān)門(mén)傳輸由ISA板輸出的光積分控制信號，而由CCD視頻信號獨占同軸電纜，這樣也可滿(mǎn)足工程化的要求；而且422總線(xiàn)的雙絞線(xiàn)在惡劣環(huán)境下的傳輸距離和抗干擾性能也令人可以接受。

不過(guò)比較來(lái)說(shuō)，單同軸電纜雙向復用總線(xiàn)更有優(yōu)越性。

第一，原理更加簡(jiǎn)潔實(shí)用，其接口協(xié)議比422接口協(xié)議還簡(jiǎn)單；

第二，兩端切換開(kāi)關(guān)的介入并不影響視頻信號的傳輸，而且開(kāi)關(guān)的切換是在一幀CCD信號的兩端外，其可能產(chǎn)生的瞬變電壓或電壓波動(dòng)影響不到整幀有效信號；

第三，控制信號的產(chǎn)生也很方便。熟悉VHDL或Verilog語(yǔ)言的人都清楚，在CPLD或FPGA編程中，新增一個(gè)計數器(或本來(lái)設有計數器)并增加幾條計數判斷控制指令，鎖定外部一管腳輸出控制信號，就實(shí)現了SPDT開(kāi)關(guān)控制功能；

圖6

第四，總線(xiàn)帶寬和傳輸距離的優(yōu)越性明顯，與同軸電纜達400MHz的帶寬和300m~500m的傳輸距離相比，雙絞線(xiàn)顯然遜色；

第五，節省外部連接線(xiàn)，安裝簡(jiǎn)單。例如。一塊ISA采集板采集4路CCD傳感頭，如果采用422總線(xiàn)接口傳輸光積分脈沖，則需要4組共8根雙絞線(xiàn)，而采用單同軸電纜雙向時(shí)分復用傳輸總線(xiàn)，則用4根同軸電纜就夠了，連接操作也再簡(jiǎn)單不過(guò)；

圖7

第六，同軸電纜抗干擾性也比雙絞線(xiàn)好，更好地滿(mǎn)足了工程實(shí)用化的嚴格要求。

圖8

該單同軸電纜雙向復用傳輸外總線(xiàn)已經(jīng)應用于高精度CCD角度傳感器的數據采集系統中。