??? 摘? 要: 一種以AD9847+FPGA為核心架構(gòu)的CCD成像系統(tǒng)。分析了AD9847及其在系統(tǒng)中所發(fā)揮的重要作用,。針對(duì)目前模擬前端一般采用專用CCD視頻信號(hào)處理器來實(shí)現(xiàn)的方案,給出視頻圖像預(yù)處理和白平衡算法的硬件實(shí)現(xiàn)流程。最后對(duì)AD9847的PCB布局布線進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì),。實(shí)踐結(jié)果表明,像素速率37.125 MHz時(shí),,系統(tǒng)性能較好,。?
????關(guān)鍵詞: 成像系統(tǒng);AD9847,;FPGA,;相關(guān)雙采樣;可變?cè)鲆娣糯笃?/P>
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??? 隨著晶圓工藝的不斷發(fā)展,,CCD相機(jī)和攝像機(jī)的發(fā)展也趨于小型化,、智能化、功能多樣化,。隨著45 nm甚至40 nm技術(shù)的發(fā)展,,無論是消費(fèi)級(jí)還是科學(xué)級(jí)攝像機(jī),設(shè)計(jì)師們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)更愿意選擇小型且功能強(qiáng)大的芯片。ADI公司推出的業(yè)界通用AFE已經(jīng)配置于多種知名的高性能數(shù)碼相機(jī)和數(shù)碼攝像機(jī),,憑借這種技術(shù)專長,,ADI現(xiàn)已能夠?yàn)橛糜诟叨藬?shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)以及高性能科學(xué)和工業(yè)圖像處理應(yīng)用(例如,,機(jī)器視覺,、生物醫(yī)學(xué)圖像處理和碰撞測(cè)試分析)的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器提供專業(yè)的AFE數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。?
1 CCD成像系統(tǒng)組成?
??? CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域較多,,包括光學(xué)系統(tǒng),、機(jī)械系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng),、CCD驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng),、狀態(tài)控制系統(tǒng)及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等[1]。本系統(tǒng)框圖如圖1,,其中光學(xué)鏡頭部分沒有標(biāo)出,。系統(tǒng)處理流程為:CCD在驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制下,將經(jīng)由光學(xué)鏡頭透過的光信號(hào)變換為電信號(hào),,即模擬視頻信號(hào),。視頻信號(hào)分為左右兩邊經(jīng)兩路AD9847進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行一系列處理最終送至終端,。系統(tǒng)中FPGA采用XILINX公司的XC4VLX25,。一般FPGA處理后的信號(hào)根據(jù)終端的不同而相應(yīng)地給出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)以便進(jìn)行圖像顯示。該系統(tǒng)中終端為高清監(jiān)視器,,故最終接口為HDSDI接口,。?
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??? AD9847在系統(tǒng)中需與FPGA聯(lián)合工作。因AD9847集成TD(Timing Driver),,所以可以為CCD提供垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào),、復(fù)位信號(hào)、箝位信號(hào)及消隱信號(hào),。系統(tǒng)中CCD采用柯達(dá)KAI-2093[2],,最高工作頻率為40 MHz,系統(tǒng)工作頻率為37.125 MHz,,RG信號(hào)的窄脈沖達(dá)到200 MHz高頻,;FPGA是系統(tǒng)中的核心器件,如果以上信號(hào)都由FPGA提供,,則對(duì)FPGA有很高的性能要求,,故采用驅(qū)動(dòng)信號(hào)由AD9847與FPGA聯(lián)合提供的方式工作。AD9847的加入使得成像系統(tǒng)體積減小,、操作簡便,。AD9847不同于其他AFE的地方就是它除了可以對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理外還,,可以為CCD提供足夠驅(qū)動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)信號(hào),最高可達(dá)24.5 mA,。?
2 AD9847的介紹?
2.1 主要特點(diǎn)?
??? AD9847是美國ADI公司的一款面向CCD的,、完善的低功耗單通道模擬信號(hào)處理器。AD9847可以工作在三種模式下,,對(duì)面陣CCD信號(hào),、模擬視頻信號(hào)和普通的交流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD9847以其高精度,、高速度的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力,,及其所具有的完善的性能結(jié)構(gòu),廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制,、醫(yī)療儀器,、科學(xué)研究等領(lǐng)域的高精度圖像采集系統(tǒng)中[3]。?
??? AD9847的主要特征:?
??? (1)10 bit,、40 MHz的A/D轉(zhuǎn)換器,;?
??? (2)40 MHz相關(guān)雙采樣(CDS);?
??? (3)-2 dB~+10 dB像素增益放大器(PxGA),;?
??? (4)2 dB~+36 dB,,10 bit可變?cè)鲆娣糯笃鳎╒GA);?
??? (5)低噪聲可變?cè)鲆婵刂频捏槲浑娐罚?
??? (6)模擬視頻信號(hào)預(yù)息影功能,;?
??? (7)精準(zhǔn)的時(shí)鐘核,,40 MS/s時(shí)的分辨率為500 ps;?
??? (8)3線串行接口配置,;?
??? (9)片上時(shí)序發(fā)生器,,可在外部同步信號(hào)的作用下給CCD芯片提供所需的時(shí)序信號(hào)(H1,H2,,RG),配合另外提供的V,、VSUB信號(hào),,可以驅(qū)動(dòng)CCD工作;?
??? (10)48腳LQFP封裝,,大大節(jié)省電路板空間,。?
2.2 AD9847的工作原理?
??? AD9847在基準(zhǔn)信號(hào)VD、HD,、CLI 作用下,,通過FPGA對(duì)三線串口進(jìn)行編程,為系統(tǒng)設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫髋渲?。AD9847各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)建立在內(nèi)部寄存器正確配置的基礎(chǔ)上,。三線串口為SLOAD,、SCLOCK、SDATA,,共有兩種配置方式:一種是串行寫操作,,連續(xù)寫入8位地址信號(hào)和6位數(shù)據(jù)信號(hào),SLOAD信號(hào)在寫入數(shù)據(jù)期間一直處于低電平狀態(tài),,在此期間SCLOCK信號(hào)表現(xiàn)為時(shí)鐘信號(hào),,其他時(shí)間維持高電平,SDATA的數(shù)據(jù)在SCLOCK的時(shí)鐘上升沿被鎖存,;另一種是連續(xù)的串行寫操作,,只有一個(gè)8 bit地址位作為首地址,后面依次為以6 bit為一組的數(shù)據(jù)位,,每6 bit對(duì)應(yīng)一個(gè)地址,,地址以首地址為基準(zhǔn)依次遞增,最終將數(shù)據(jù)寫進(jìn)對(duì)應(yīng)的寄存器,,SLOAD在此期間一直為低,,直到最后一個(gè)寄存器被裝載。AD9847的配置主要是完成對(duì)CDS采樣信號(hào)的置位,、驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形,、可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆妗Q位電平以及其他功能等的設(shè)置,。AD9847基本工作流程為CCD模擬視頻信號(hào)經(jīng)過射隨器之后送給AD9847,,在AD9847內(nèi)部首先經(jīng)CDS進(jìn)行相關(guān)雙采樣,消除噪聲干擾,,然后通過增益放大再送至ADC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,,最終將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送至下一步電路進(jìn)行處理。DOUTPHASE寄存器可以設(shè)置輸出數(shù)字信號(hào)的最佳位置,。?
3 AD9847在成像系統(tǒng)中的應(yīng)用?
3.1 寄存器配置?
??? 該系統(tǒng)中AD9847與FPGA作為核心,,F(xiàn)PGA作為AD9847的上位機(jī)控制AD9847 的工作。AD9847作為AFE又有著無法替代的優(yōu)勢(shì),,它將很多視頻信號(hào)處理電路集成起來替代了很多復(fù)雜的分電路,。系統(tǒng)中AD9847和FPGA由同步時(shí)鐘控制,上電初始化后FPGA經(jīng)三線串口配置AD9847,。AD9847共有164個(gè)寄存器,,有些寄存器為雙寬度寄存器,占有兩個(gè)地址,,對(duì)于這樣的寄存器必須兩個(gè)地址都寫入數(shù)據(jù)才能使其作用,。對(duì)于寄存器中有些數(shù)據(jù)位寬不足6 bit的,在配置時(shí)需補(bǔ)足6 bit,。大部分寄存器地址是連續(xù)的,,僅有一些不連續(xù),。根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]中要求的AD9847寄存器配置的順序,有些地址偏后的寄存器可能需要先配置,,這樣就導(dǎo)致有些寄存器只能采用串行寫操作模式,,對(duì)于地址連續(xù)的寄存器可采用連續(xù)的串行寫操作模式。故在對(duì)AD9847寄存器配置過程中,,將串行寫操作模式和連續(xù)串行寫操作模式結(jié)合起來,,只需注意每個(gè)bit數(shù)據(jù)與SCLOCK對(duì)應(yīng)位置即可。?
3.2 驅(qū)動(dòng)電路?
??? 系統(tǒng)工作首先需要驅(qū)動(dòng)CCD,,為減輕FPGA的負(fù)擔(dān),,AD9847承擔(dān)產(chǎn)生一部分驅(qū)動(dòng)信號(hào)的任務(wù)。HBLK,、H1-H4,、RG等相關(guān)寄存器可產(chǎn)生所需要的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)垂直時(shí)鐘H1行空白期間電平極性應(yīng)當(dāng)設(shè)置為低,,因?yàn)楹罄m(xù)的電壓轉(zhuǎn)換電路中對(duì)其進(jìn)行了反相,,參考文獻(xiàn)[2]中H1信號(hào)波形圖。由FPGA產(chǎn)生的水平轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)信號(hào)配合AD9847產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)由電壓轉(zhuǎn)換電路驅(qū)動(dòng)CCD工作,。CCD在驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用下,,輸出模擬視頻信號(hào)如圖2。圖中,,1通道為CCD視頻信號(hào),,4通道為H1信號(hào)。?
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3.3 相關(guān)雙采樣?
??? 視頻信號(hào)在AD9847內(nèi)部首先經(jīng)內(nèi)部相關(guān)雙采樣電路對(duì)每個(gè)CCD像素信號(hào)進(jìn)行兩次采樣,,以提取視頻信息和抑制低頻噪聲,。由于CCD每個(gè)像素的輸出信號(hào)中既包含有光敏信號(hào),也包含有復(fù)位脈沖電壓信號(hào),,若在光電信號(hào)的積分開始時(shí)和積分結(jié)束時(shí),,分別對(duì)輸出信號(hào)采樣,并且使得兩次采樣的間隔時(shí)間遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)RonC(Ron為復(fù)位管的導(dǎo)通電阻),,則這樣兩次采樣的噪聲電壓相差無幾,,而這兩次采樣的時(shí)間又是相關(guān)的[4]。若將兩次采樣值相減,,就基本消除了復(fù)位噪聲的干擾,得到信號(hào)電平的實(shí)際有效幅值,。通過設(shè)置SHPPOSLOC和SHDPOSLOC寄存器來決定SHP和SHD的采樣位置,,SHP采樣參考電平,SHD采樣有效電平,,采樣位置的設(shè)定是得到好的CCD信號(hào)的關(guān)鍵,。因AD9847的SHP,、SHD均在內(nèi)部產(chǎn)生,外部并沒有輸出管腳,,故無法用示波器顯示采樣信號(hào),。相關(guān)雙采樣時(shí)序如圖3所示。?
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3.4 箝位及增益放大電路?
??? 經(jīng)CDS處理的CCD信號(hào)送至下一個(gè)電路,。箝位電路用來消除信號(hào)鏈中的殘留偏壓,,并且跟蹤C(jī)CD暗像素的頻率成份,錯(cuò)誤的信號(hào)將被過濾掉,,所以噪聲降低,,去掉偏壓還可減小對(duì)增益改變的影響。AD9847內(nèi)部箝位信號(hào)為CLPDM,、CLPOB,,箝位位置通過配置寄存器來改變。具體的寄存器配置內(nèi)容需根據(jù)AD9847 datasheet和CCD的datasheet的要求進(jìn)行配置,,只需根據(jù)CCD行轉(zhuǎn)移信號(hào)找出black pixel,、effective pixel的位置即可。?
??? AD9847的增益放大器有PxGA(像素增益放大器)和VGA(可變?cè)鲆娣糯笃鳎?,兩個(gè)增益放大器共同工作,,對(duì)弱信號(hào)放大、強(qiáng)信號(hào)縮小,,使圖像灰度處于比較理想的狀態(tài),。其中,PxGA為單個(gè)的彩色像素提供單獨(dú)的增益調(diào)整,。一個(gè)可編程增益放大器有4個(gè)單獨(dú)值,,PxGA可將增益值分配給單個(gè)像素。PxGA可以用于白平衡調(diào)整彩色信號(hào),,可減少后續(xù)的數(shù)字處理工作量,,并很方便地為CCD攝像機(jī)系統(tǒng)提供了白平衡功能。配置ctlmode寄存器可以選擇PxGA的工作模式,,ctlmode可針對(duì)不同類型的CCD彩色濾波陣列設(shè)置7種不同的彩色引導(dǎo)模式,,彩色引導(dǎo)起著正確分開R、G,、B分量的增益值的作用,,并由垂直(VD)和水平(HD)同步信號(hào)控制同步。四個(gè)通道的PxGA增益范圍為-2 dB~+10 dB,,對(duì)應(yīng)64 steps,,通過串行口配置pxga gain寄存器來控制,其缺省值對(duì)應(yīng)為4 dB,。VGA的增益范圍2 dB~36 dB,,通過寄存器VGA gain,,以10-bit分辨率即1 024 steps進(jìn)行配置。結(jié)合PxGA的4 dB增益,,AD9847總的增益范圍為6 dB~40 dB,。當(dāng)ADC的輸入信號(hào)最大范圍值為2 V時(shí),最小增益6 dB須對(duì)應(yīng)1 V輸入信號(hào),。當(dāng)對(duì)應(yīng)1 V最大范圍系統(tǒng)時(shí),,增益相當(dāng)?shù)姆秶鸀? dB~34 dB。VGA增益曲線分為兩個(gè)區(qū)域,,當(dāng)VGA增益寄存器碼對(duì)應(yīng)范圍0~511時(shí),,曲線對(duì)應(yīng)(1+x)/(1-x)的形狀;512~1 023時(shí),,曲線對(duì)應(yīng)linear-in-dB的形狀,,如圖4。VGA實(shí)際的增益值相應(yīng)寄存器中的增益值的計(jì)算公式如下:?
??? 碼值為0~511時(shí):?
??? Gain=20log10([658+code]/[658-code])-0.4?
????碼值為512~1 023時(shí):?
????Gain=(0.0354)(code)-0.04?
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????經(jīng)過以上信號(hào)預(yù)處理后,,信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器,,AD9847使用一個(gè)高性能的10-bit ADC結(jié)構(gòu),高速低耗,。差分非線性性能優(yōu)于0.4LSB,。ADC輸入范圍為2 V,大的全量程ADC范圍帶來很好的性能,。系統(tǒng)中AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)一步處理,。?
4 AD9847的外部電路設(shè)計(jì)?
????在PCB板的設(shè)計(jì)過程中,數(shù)?;旌想娐返脑O(shè)計(jì)一直是一個(gè)瓶頸,。模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)變是否實(shí)時(shí)、精確,,是電路設(shè)計(jì)的重要指標(biāo),。通常的電路中,模擬信號(hào)上由于存在隨時(shí)間變化的連續(xù)變化的電壓和電流有效成分,,在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中,,需要同時(shí)控制這兩個(gè)變量,而且它們對(duì)于外部的干擾更敏感,,因而通常作為被干擾對(duì)象來分析,;數(shù)字信號(hào)上只有隨時(shí)間變化的門限量化后的電壓成分,相比模擬信號(hào)對(duì)干擾有較高的承受能力,,但是這類信號(hào)變化快,,特別是變化沿速度快,還有較高的高頻諧波成分,,對(duì)外釋放能量,,通常作為干擾源[5]。?
??? AD9847即有模擬電路又含數(shù)字電路部分,,它的電路設(shè)計(jì)一定要謹(jǐn)慎,。本系統(tǒng)采用單點(diǎn)接地方式,將AD9847的數(shù)字地與模擬地分開布線,,單點(diǎn)用銅皮或 FB 磁珠連接,。系統(tǒng)使用單獨(dú)的地層,地層盡量連續(xù),,退耦電容要盡量靠近芯片放置,,尤其是管腳25~35,以減少退耦電容在電源和旁路引腳以及其接地引腳之間產(chǎn)生的電阻回路,。串聯(lián)電阻離數(shù)字輸出管腳越近,,數(shù)字碼字轉(zhuǎn)換噪聲越小。如果數(shù)字輸出要驅(qū)動(dòng)一個(gè)大于20 pF的負(fù)載,,建議用緩存來降低數(shù)字編碼傳輸噪聲,,還可以放置一系列的電阻降低該噪聲。為得到低噪聲性能,,電源退耦非常重要,。經(jīng)設(shè)計(jì),AD9847最終外圍電路連接圖如圖5所示,。?
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??? 本文結(jié)合CCD成像系統(tǒng)介紹了AD9847的性能特點(diǎn),,并給出新型、小巧,、功能齊全的CCD攝像機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,。作為高性能的CCD信號(hào)處理器,AD9847最大的特點(diǎn)就是內(nèi)部結(jié)構(gòu)完善,,可編程參數(shù)配置靈活方便,。更重要的是它集成了CDS、VGA,、ADC等電路,,其中增益放大器部分可以用于白平衡處理,這為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來方便,。?
參考文獻(xiàn)?
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