《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于XRD4460的CCD視頻信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
摘要: 本文介紹了一種采用專用CCD視頻信號(hào)處理芯片和CPLD技術(shù)來設(shè)計(jì)的CCD視頻信號(hào)處理電路,,并采用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,而且調(diào)試方便,,易于實(shí)現(xiàn)。通過USB和CPLD技術(shù)對(duì)專用CCD視頻信號(hào)處理芯片的控制,,實(shí)現(xiàn)了圖象亮度與對(duì)比度的可編程調(diào)節(jié),,改善了圖象質(zhì)量,提高了電路的整體性能,,同時(shí)USB接口傳輸速率快,,且易于計(jì)算機(jī)連接。因此,,該電路可廣泛應(yīng)用于CCD相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。
Abstract:
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1引言

  CCD" target="_blank">CCD(Charge Coupled Device)電荷耦合器件是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型半導(dǎo)體大規(guī)模集成光電器件。由于它在圖像信息的攝取,、記錄方面獨(dú)具特色,,同時(shí)又具有體積小、功耗小,、分辨率高,、靈敏度高、可靠性好等諸多優(yōu)點(diǎn),,因此在科學(xué),、天文、工業(yè)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,。

  CCD輸出的視頻信號(hào)中除了有用的圖像信號(hào)外,,還包括很高的直流分量和噪聲。若不進(jìn)行處理,,將嚴(yán)重影響傳感器的圖像質(zhì)量,,因此CCD視頻信號(hào)的噪聲處理十分重要,。CCD視頻信號(hào)處理的目的就是盡可能地消除各種噪聲和干擾,但又不能損失圖像細(xì)節(jié),;并且保證在CCD的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)圖像信號(hào)隨著目標(biāo)亮度成線性變化,,同時(shí)為了便于計(jì)算機(jī)處理和大容量存儲(chǔ),還必須對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理[1],。這些功能若由分立電路實(shí)現(xiàn),,則電路復(fù)雜、調(diào)試不方便,、價(jià)格昂貴,、功耗大等缺點(diǎn)是顯而易見的,這與CCD相機(jī)向著功能更強(qiáng)大,、性能更完善、價(jià)格更便宜,、功耗更低的發(fā)展趨勢(shì)是相悖的,。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,為了解決CCD視頻信號(hào)噪聲處理問題,,許多公司(Exar,Kodak,Burr-Brown,TI等)相繼開發(fā)了功能齊備的專用CCD視頻信號(hào)處理芯片,,將各種功能電路集成在一塊芯片上,這樣不僅大大簡(jiǎn)化了信號(hào)處理電路,,降低了CCD相機(jī)設(shè)計(jì)復(fù)雜度,,而且使CCD相機(jī)的功能更強(qiáng)大,性能更優(yōu)越,。

  本文主要分析了專用CCD視頻信號(hào)處理芯片XRD4460的功能及特點(diǎn),,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了基于XRD4460的CCD視頻信號(hào)處理電路。

  2 XRD4460的特點(diǎn)及功能

  XRD4460是Exar公司推出的專用CCD視頻信號(hào)處理芯片,。它帶有一個(gè)1O位A/D轉(zhuǎn)換器,,最高采樣速率高達(dá)16MHz,內(nèi)置高帶寬的差分相關(guān)雙采樣器(CDS)和8位的數(shù)字可編程增益放大器(PGA),。模擬偏移量可控制,,差分信號(hào)輸入,差分外部時(shí)鐘,,片內(nèi)帶有輸入緩存和采樣/保持器,,1O位并行數(shù)據(jù)輸出。由于其功能強(qiáng)大,、性能優(yōu)越,、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn),,因而廣泛用于數(shù)字?jǐn)z像機(jī),、數(shù)字靜態(tài)相機(jī)和PC錄像會(huì)議相機(jī)等數(shù)字成像系統(tǒng)中,。XRD4460的功能框圖如圖1所示,其功能主要包括,。
 

XRD4460的功能框圖

 ?。?) 相關(guān)雙采樣(CDS,correlated double sampling):CCD輸出信號(hào)中的主要有光子噪聲,、陷阱噪聲,、暗電流噪聲、復(fù)位噪聲,。其中光子噪聲,、陷阱噪聲是由器件和工藝造成的,不易處理,,而暗電流噪聲與器件的環(huán)境溫度有關(guān),,所以信號(hào)處理電路主要對(duì)復(fù)位噪聲(亦稱KTC噪聲)進(jìn)行抑制[2]。為了降低復(fù)位噪聲,,XRD4460采用了相關(guān)雙采樣技術(shù),。相關(guān)雙采樣的原理是由于復(fù)位噪聲表現(xiàn)在同一像素周期內(nèi)近似常數(shù)(即具有相關(guān)性),但是對(duì)于不同的像素周期是隨機(jī)變化的,。所以,,只要在同一像素周期內(nèi)的暗電平參考區(qū)間和信號(hào)電平區(qū)間進(jìn)行兩次采樣,那么這兩次采樣的復(fù)位噪聲是相關(guān)的,,將兩個(gè)采樣電平經(jīng)差動(dòng)放大器輸出,,得到的信號(hào)就是真實(shí)的視頻信號(hào)。這一過程把與參考電平和信號(hào)電平都相關(guān)的復(fù)位噪聲濾除了,,而且對(duì)低頻噪聲也有一定的濾除效果[3],。

  (2)可編程增益控制PGA (programmable gain amplifier): 輸入到ADC的視頻信號(hào)的電壓是由CCD輸出信號(hào)的電壓和信號(hào)處理的系統(tǒng)增益,、偏置決定的,。因?yàn)镃CD輸出信號(hào)的大小隨著入射照度的強(qiáng)弱而改變,只有通過信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行增益,、偏置地調(diào)節(jié).才能使輸出的數(shù)字圖像的亮度和對(duì)比度滿足要求,。XRD4460的增益控制由可編程增益放大器PGA完成,增益范圍為6dB~38dB,,由8位增益寄存器控制,,通過串口來設(shè)定。當(dāng)輸入增益碼Code=00H時(shí),,系統(tǒng)存在固有6dB增益,,增益控制碼每增加一個(gè)碼字,系統(tǒng)增益增加0.125dB,,從而實(shí)現(xiàn)可編程增益控制,。

 ?。?)暗電平自動(dòng)校正:由于光強(qiáng)、溫度,、供電電壓的緩慢變化都會(huì)使視頻輸出信號(hào)的暗參考電平出現(xiàn)波動(dòng),,在實(shí)際應(yīng)用中,需要暗參考電乎維持一個(gè)固定電平,,暗參考電平校正過程亦即直流電平恢復(fù)過程,。通過情況下,CCD輸出視頻信號(hào)的開始部分或結(jié)束部分會(huì)分布若干個(gè)暗電平參考像元,。XRD4460通過CLAMP信號(hào)的高電平與輸出信號(hào)的暗參考像素對(duì)應(yīng),,選擇合適的外部耦合電容參數(shù),將使整行的暗參考電平保持在一個(gè)固定電平上,。

 ?。?)數(shù)字偏置控制:若CCD工作于弱光條件下,即使信號(hào)的增益很大,,經(jīng)過視頻信號(hào)處理后的電壓仍可能低于ADC的下參考電壓,,這樣使輸出視頻圖像產(chǎn)生失真。為了提高弱光條件下的灰度分辨率,,需要使輸出視頻信號(hào)的暗參考電平高于ADC的下參考電壓,那么僅僅調(diào)整增益是不夠的,,還需要對(duì)視頻輸出信號(hào)的偏置進(jìn)行調(diào)整,。XRD4460的偏置調(diào)整同樣是通過串口編程控制片內(nèi)8位偏置寄存器。電源上電后默認(rèn)的偏置設(shè)置值位08H,,偏置調(diào)整范圍為02H~08H,。

  (5) A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換:XRD4460內(nèi)部集成了10位分辨率、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換器,,由于利用對(duì)分搜索的原理,,轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16MHz,這樣的轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度適合于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合,。

 

  (6) 串行接口:XRD4460的串行接口包括了一個(gè)10bit的移位寄存器和多個(gè)并行寄存器,,通過LOAD、SDI,、SCLK三個(gè)信號(hào)來控制內(nèi)部寄存器的寫入,,實(shí)現(xiàn)對(duì)XRD4460工作參數(shù)的編程控制。

3 CCD視頻信號(hào)處理電路的硬件設(shè)計(jì)

  CCD視頻信號(hào)處理電路以專用CCD視頻信號(hào)處理芯片XRD4460為核心部件,,完成CCD視頻信號(hào)的放大,、噪聲處理以及數(shù)字化,并使用CPLD" target="_blank">CPLD(可編程邏輯器件)技術(shù)完成整個(gè)電路的邏輯控制,,配以先進(jìn)先出(FIFO)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)高速緩沖器,,用于存儲(chǔ)AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù),,并采用具有微控制器的USB接口芯片,從而通過USB接口將CCD數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī),。CCD視頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)如圖2所示,。大致可分為三個(gè)部分。
 

CCD視頻信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

  3.1 XRD4460視頻信號(hào)處理電路

  XRD4460專用CCD視頻信號(hào)處理芯片的工作時(shí)序需要根據(jù)具體的CCD芯片來確定,。圖2中,,SHD、SHP,、RST,、CLAMP信號(hào)必須依據(jù)CCD輸出信號(hào)的時(shí)序來設(shè)計(jì)。其時(shí)序關(guān)系如圖3所示,。CCD輸出信號(hào)經(jīng)過CCD信號(hào)處理器XRD4460處理,, 即進(jìn)行雙相關(guān)采樣(CDS)去噪處理后,再經(jīng)增益放大以及偏置調(diào)整,,然后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換得到10位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù),。這些數(shù)據(jù)在CPLD邏輯控制電路的控制下存人異步FIFO存儲(chǔ)器SN74V293中。而SDI,、SCLK,、LOAD是XRD4460的串口控制信號(hào)。通過串行接口,,可以方便進(jìn)行編程控制XRD4460的增益與偏置的調(diào)整,,從而改善輸出圖像的質(zhì)量。

  

時(shí)序關(guān)系

  
       3.2 FIFO與USB接口電路

  高速A/D變換的數(shù)據(jù)不能直接通過USB送入主機(jī),,需要通過FIFO來緩沖數(shù)據(jù),。電路采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9,,最快讀寫周期為6ns,,可以滿足100MHz采樣數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。設(shè)置SN74V293的輸入,、輸出寬度為18位時(shí),,則其可存儲(chǔ)64K×10位的數(shù)據(jù)。FIFO寫時(shí)鐘W和復(fù)位信號(hào)/RS的時(shí)序關(guān)系如圖4所示,。USB接口電路采用Cypress公司推出的EZ-USB芯片CY7C68013A,該芯片把USB2.0收發(fā)器,、串行接收引擎SIE(Serial Interface Engine)、帶16K的增強(qiáng)8051內(nèi)核,、4KB FIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口GPIF(General Programmable Interface)集成一體,,將其作為USB外部設(shè)備的主控芯片,而無需外加微控制器(MCU)便可實(shí)現(xiàn)USB芯片通信初始化以及與主機(jī)的通信連接,。 當(dāng)FIFO中存入數(shù)據(jù)時(shí),,USB接口電路根據(jù)其標(biāo)志信號(hào)(滿信號(hào)/半滿信號(hào))讀取數(shù)據(jù)并發(fā)送給主機(jī),。

  

FIFO寫控制時(shí)序

  
                                                                             圖4 FIFO寫控制時(shí)序

  3.3 CPLD邏輯控制電路

  邏輯控制電路由CPLD采用VHDL硬件描述語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn),完成整個(gè)電路的邏輯控制,,主要包括三部分的功能,。第一部分的功能是為XRD4460提供工作時(shí)序(如圖3)。第二部分功能是向FIFO提供寫時(shí)鐘W和復(fù)位信號(hào)/RS,,控制數(shù)據(jù)的順利寫入,。第三部分功能負(fù)責(zé)XRD4460的串口設(shè)置。在CPLD中設(shè)計(jì)一個(gè)串行口和一個(gè)寄存器,,其中串行口用來將寄存器中的數(shù)據(jù)發(fā)送給XRD4460進(jìn)行功能設(shè)置,;而寄存器用來存儲(chǔ)主機(jī)發(fā)送過來數(shù)據(jù)。主機(jī)通過CY7C68013A中的EP2端點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù),。

 4 CCD視頻信號(hào)處理電路的軟件設(shè)計(jì)

  USB應(yīng)用系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為三部分:USB外設(shè)端的固件(Firmware),、主機(jī)操作系統(tǒng)上的客戶驅(qū)動(dòng)程序以及主機(jī)應(yīng)用軟件。主機(jī)應(yīng)用軟件通過客戶驅(qū)動(dòng)程序與系統(tǒng)USBI(USB Device Interface)進(jìn)行通信,,由系統(tǒng)產(chǎn)生USB數(shù)據(jù)的傳送動(dòng)作,;固件則響應(yīng)各種來自系統(tǒng)的USB標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求,完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理[4],。

  4.1 USB接口編程

  固件程序是USB芯片內(nèi)微處理器的控制程序,,可采用匯編語(yǔ)言或單片機(jī)C語(yǔ)言設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí),,固件程序通過USB電纜下載到CY7C68013A的內(nèi)部RAM 中,。

  固件程序主要是實(shí)現(xiàn)USB通信。當(dāng)主機(jī)與芯片進(jìn)行USB通信時(shí),,會(huì)產(chǎn)生外部中斷0,,通過中斷矢量寄存器來判斷,。Setup_packed_Int,、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個(gè)中斷主要用于與主機(jī)建立連接,、進(jìn)行控制傳輸或中斷傳輸,;Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個(gè)中斷主要在批量傳輸時(shí)使用,。在固件中分別執(zhí)行不同的中斷程序來實(shí)現(xiàn)USB的數(shù)據(jù)傳輸,。所有的中斷處理程序采用C語(yǔ)言進(jìn)行編寫。

  4.2 主機(jī)軟件設(shè)計(jì)

  首先開發(fā)CY7C68013A在主機(jī)中的驅(qū)動(dòng)程序,。用WinDK3.0開發(fā)了Win2000下的驅(qū)動(dòng)程序,,實(shí)現(xiàn)了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)接口函數(shù),。

  在應(yīng)用程序開發(fā)中,,采用VC++編制應(yīng)用程序,。把USB設(shè)備當(dāng)成文件來操作,利用CreateFile得到USB句柄,,用DeviceIoControl來進(jìn)行控制傳輸,,用ReadFile、WriteFile進(jìn)行批量傳輸,。主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能:一是完成采集的圖像的顯示,;二是設(shè)置CCD視頻信號(hào)處理芯片,包括PGA增益,、ADC偏置等工作參數(shù)的設(shè)置,。

  5 結(jié)束語(yǔ)

  本文介紹了一種采用專用CCD視頻信號(hào)處理芯片和CPLD技術(shù)來設(shè)計(jì)的CCD視頻信號(hào)處理電路,并采用USB接口技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,。電路不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,而且調(diào)試方便,易于實(shí)現(xiàn),。通過USB和CPLD技術(shù)對(duì)專用CCD視頻信號(hào)處理芯片的控制,,實(shí)現(xiàn)了圖象亮度與對(duì)比度的可編程調(diào)節(jié),改善了圖象質(zhì)量,,提高了電路的整體性能,,同時(shí)USB接口傳輸速率快,且易于計(jì)算機(jī)連接,。因此,,該電路可廣泛應(yīng)用于CCD相機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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