1 引言
隨著微型光譜儀快速發(fā)展，CCD和PDA廣泛使用,，CCD和PDA的種類型號越來越多,，每種型號都需要專門的驅(qū)動采集板，使得開發(fā)產(chǎn)品周期長,、費用大,。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD,，并上傳至PC機,，使用軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。
2 通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)部署圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件分為接口板,、通用驅(qū)動采集板,、計算機。接口板匹配驅(qū)動信號,，將CCD輸出視頻信號通過前置處理后鏈接到CCD通用采集板,。在CCD通用采集板中，A/D轉(zhuǎn)換器對視頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后,，按幀暫存在FPGA內(nèi)的FIFO中,，通過USB快速塊傳輸模式上傳到計算機中．最后計算機軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。
通用性是由通用CCD驅(qū)動模塊和16In8Out異步FIFO實現(xiàn)的,。根據(jù)不同類型的CCD編制不同的CCD驅(qū)動模塊,，采用16In8Out異步FIFO，F(xiàn)IFO根據(jù)CCD驅(qū)動模塊提供的FS幀同步來確定暫存A／D轉(zhuǎn)換一幀像元數(shù),，實現(xiàn)了采集A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與USB傳輸?shù)姆蛛x,，在修改或升級CCD驅(qū)動時，無需修改采集和數(shù)據(jù)輸出代碼,，實現(xiàn)了通用性,。
2．1 CCD接口板
由于大多數(shù)CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同,。CCD接口板提供CCD插座和轉(zhuǎn)接CCD驅(qū)動信號以及輸出信號電壓匹配,。CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。
2．2 通用驅(qū)動采集板
通用驅(qū)動采集板由A／D轉(zhuǎn)換,、FPGA(通用CCD驅(qū)動器模塊和16In8Out異步FIFO模塊),、USB 3部分組成,。A／D轉(zhuǎn)換部分完成系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換,；FPGA部分完成系統(tǒng)的CCD驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集,、CDS實現(xiàn),；USB部分完成數(shù)據(jù)的傳輸。
2．2．1 A／D轉(zhuǎn)換部分
系統(tǒng)需采集多種CCD并實現(xiàn)CDS,，而且系統(tǒng)主要由USB供電,，這就要求A／D轉(zhuǎn)換速度快，供電電壓低,，最好參考電壓內(nèi)置,。AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列,，采用3 V單電源供電,，該系列均內(nèi)置一個高性能采樣保持放大器(SHA)和基準(zhǔn)電壓源。AD923540采用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯邏輯,，在40 MSP／S數(shù)據(jù)速率時可提供12位精度,，并保證在整個工作溫度范圍內(nèi)無失碼。
FPGA中采集信號發(fā)生器提供A／D采集時鐘,，同時也控制FIFO和CCD驅(qū)動器,。A／D采樣速率不再受數(shù)據(jù)傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配,。并可實現(xiàn)1幀內(nèi)1個像元的雙采樣,，從而實現(xiàn)CDS。
2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅(qū)動器模塊
由于不同生產(chǎn)商的CCD器件的驅(qū)動時序往往差別很大,，因此需針對每種CCD器件編制其CCD驅(qū)動器模塊,。驅(qū)動時鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號發(fā)生器提供，如圖2所示,。
CCD驅(qū)動器輸入信號由兩路驅(qū)動時鐘和積分時間控制信號INT組成,；輸出信號由幀同步信號FS和CCD Driver信號組成。不同的CCD驅(qū)動器模塊僅CCD Driver信號有所不同,，其他接口一樣,。在改變CCD時只需替換CCD驅(qū)動器模塊即可。
2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO
FIFO用于暫存A／D轉(zhuǎn)換的信號,。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后,，將FIFO中的1幀數(shù)據(jù)通過快速塊傳輸上傳至計算機。1幀的像元個數(shù)由CCD驅(qū)動模塊提供的FS信號決定,。FIFO內(nèi)的存儲空間為192 Kb,。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數(shù)據(jù)存儲需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內(nèi)部原理圖,。
圖3中,，F(xiàn)S是幀同步，在FIFO中重置暫存指針,，DataIN是暫存數(shù)據(jù)采集完畢信號,，DataRdy是判斷USB是否空閑信號，ADclk是FIFO的寫信號,，16BitIN是FIFO的讀16位入口,，讀取A／D信號，這里兼容16位,，本設(shè)計只用12位,，其他4位空閑。8BitOUT是FIFO的8位輸出口,，RD是FIFO的讀出時鐘信號,。在FIFO中讀入的16位信號分高低位分別存儲在2個8 bit存儲器中,，在輸出時，按先高后低的順序輸出,，從而完成16In8Out的轉(zhuǎn)換,，部分實現(xiàn)代碼如下：
在信號FS的控制下，F(xiàn)IFO不斷地對整幀信號進行刷新,，當(dāng)USB傳輸信號到來時,，刷新當(dāng)前幀完畢后，開始USB快速讀入操作,。
2．2．4 USB部分
USB采用Cypress公司的AD2131Q,，其核提供一種快速傳輸模式．改進8051的外部邏輯與同步／塊端點緩沖器之間的傳輸速度。將FASTXFR寄存器設(shè)置為01010000B,，讀寫選通時序模式為10,，提供更寬的脈沖寬度，便于讀取FPGA的異步FIFO信號,。FIFO存儲滿1幀數(shù)據(jù),，由USB器件使用快速塊傳輸上傳到計算機，約6 ms完成,。表1為塊傳輸傳一個像元數(shù)據(jù)所用匯編程序?qū)Ρ取?br />
2．3 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計主要包括3方面工作：USB驅(qū)動程序設(shè)計,、動態(tài)鏈接庫設(shè)計以及應(yīng)用處理軟件設(shè)計。
2．3．1 USB驅(qū)動程序設(shè)計
EZ-USB提供的FPD(通用設(shè)備驅(qū)動程序)是一個通用的設(shè)備驅(qū)動程序,。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和編譯驅(qū)動程序,，生成文件ezusb.sys。具體操作如下：①修改驅(qū)動程序的PID,。在工程里EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不變,，PID自行設(shè)定。②利用hex2c.exe將USB固件Intel HEX記錄格式的代碼文件轉(zhuǎn)換為C文件,，打開該C文件,，用其中的firmware[]數(shù)組代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的數(shù)組。③編譯生成ezusb.sys文件并編寫相應(yīng)的INF文件,。
2．3．2 動態(tài)鏈接庫設(shè)計
動態(tài)鏈接庫主要是通過I／O控制調(diào)用來訪問EZ-USBGPD,。通過調(diào)用CreateFile()來取得訪問設(shè)備驅(qū)動程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制碼,，從而完成USB的控制和輸入／輸出操作。
2．3．3 應(yīng)用處理軟件設(shè)計
應(yīng)用軟件通過訪問動態(tài)鏈接庫(DLL)獲取采集譜線數(shù)據(jù),，其主要功能有顯示,、設(shè)置積分時間、定格譜線,、保存,、捕捉,、局部放大、添加譜線,。
3 測試結(jié)果
采用通用CCD采集系統(tǒng)分別對3款CCD進行驅(qū)動和采集,。這3種CCD的參數(shù)如表2所示。使用應(yīng)用軟件EMSpectro采集上述CCD譜線,，采集效果如圖4所示,。
4 結(jié)束語
采用該系統(tǒng)對3種不同型號CCD成功驅(qū)動并采集，測試結(jié)果達到了預(yù)期的效果,。系統(tǒng)體積小,、功耗低、兼容性好,、可擴展性高,。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于實驗室開發(fā)CCD相關(guān)項目中。