基于FPGA和USB 2．0的高速CCD声光信号采集系统

1 系统概述
    声光信号采集系统框图如图1所示。系统主要由CCD声光信号采集模块、A／D转换模块、FPGA驱动和控制模块及USB接口传输模块四部分组成。

    系统上电后，USB设备按照上位机的命令完成对。FPGA数据采集参数的初始化设置及采集控制。RL2048P在驱动时序的严格控制下工作，采集的模拟信号经专用CCD信号处理芯片AD9822的相关双采样及模／数转换后，缓存在EP2C35内部配置的FIFO中，然后判断当FIFO中的数据达到2 048 B时，向USB控制器CY7C68013A中异步写数据，由于USB设置自动IN模式，可以直接把FIFO中数据传输到PC上位机硬盘文件中，因而可完成CCD声光信号的采集、传输及存储。

2 系统各模块设计
    系统各模块设计为：
    FPGA驱动及控制模块 系统采用Altera公司的CycloneⅡ系列。EP2C35F672C6芯片，具有高性价比及丰富的逻辑资源，可满足系统的要求。有4个PLL，33 216个LE，48 KB存储器资源，可以配置成各种模式的ROM，RAM及。FIFO，35个18×18的专用乘法器。FPGA的主要功能是产生RL2048P驱动时序，控制AD9822采样及对其寄存器实现串行编程，内部配置FIFO缓存数据以及与USB接口通信，并传输数据到上位机中。
    CCD声光信号采集模块 选用PerkinElmer公司的RL2048P线阵CCD。该芯片主要用于高速信号采集，2 048个有效像元，具有高灵敏度、大动态范围、宽光谱范围等特点，最高工作频率为40 MHz，该系统设计为10 MHz。EP2C35的时序驱动输出是3．3 V的LVTTL电平，不能直接驱动RL2048P(多电平要求)。因此，使用DG642和74FCT16244TV芯片完成电平转换，增强驱动能力。图2为RL2048P驱动时序图；图3为使用Verilog HDL编写驱动时序的QuartusⅡ仿真。由比较可见，设计完全能满足时序的严格要求。

    A／D转换模块 AD9822是ADI公司的专用CCD信号处理芯片，内部集成CDS，PGA，14位ADC、暗电平自动校准、偏置电压控制以及串行接口等功能，采样速度高达15 MHz。ADCCLK的下降沿输出数据的高8位，ADCCLK的上升沿输出数据的低6位。AD9822采样控制时序及寄存器编程都是由EP2C35实现，与RL2048P输出信号同步，保证采集数据的正确性。采用相关双采样模式可以抑制CCD的复位噪声，本系统设置其寄存器分别为0x0058，0x10C0，0x2000，0x50FF。
    USB接口传输模块 USB 2．0协议的传输速度高达480 Mb／s，且具有接口简单及误码率低等优点，能够满足该系统高速传输的需要。选用Cypress公司的新一代低功耗CY7C68013A芯片，与之相应的开发包和开发文档较齐全，缩短了开发周期，降低了开发难度。为了保证数据传输的速度，CY7C68013A工作于SlaveFIFO模式，不需要EZ-USB FX2LP的CPU干预，即可完成与FPGA的数据传输。EP2C35与CY7C68013A的通信采用了Slave FIFO模式下的异步方式，向大端点EP6写数据，配置其为512 B四重缓冲区，批量AUTO IN传输模式，每次自动提交512 B数据。图4为EP2C35与CY7C68013A的接口连接。

3 系统软件设计
    系统软件设计包括：
    固件程序(Firmware)设计 设备固件的主要功能是控制CY7C68013A接收并处理USB驱动程序的请求。如请求设备描述符，请求或设置设备状态，请求或设置设备接口等USB 2．0标准请求；辅助硬件完成设备的重新枚举、端点配置、控制和监测USB的活动，根据PC主机的命令与外围电路进行数据交换等。Cy-press公司为用户提供了一个固件程序框架，是通用性强的模块化程序。在框架的基础上，用户只需要编写Function．c文件即可完成USB功能开发。主要包括：Slave FIFO模式的初始化和用户自定义请求。
    驱动程序开发 系统包括两个USB驱动程序：一个驱动专用于下载芯片的固件程序ccdloader．sys，另一个通用驱动程序ccdusb．sys用来实现USB设备与应用程序的通信和控制。芯片固件程序在主机上，当系统上电时，前者将其下载到芯片的RAM中，并由增强型8051微处理器执行。当固件下载完成后，模拟一次断开重新连接，此时下载的固件响应USB枚举，并加载USB设备通用驱动程序。USB的驱动程序是WDM类型，可以使用Windows DDK，WinDriver，DriverStudio开发。
    应用程序开发 它的主要任务是与USB驱动程序通信，控制声光信号采集过程。在此用Visual C++6．0进行程序设计。CyAPI控制函数类为FX2LP系列USB接口芯片提供了十分精细的控制接口，只需在应用程序中加头文件CyAPI．h和库文件CyAPI．lib即可调用相应的控制函数，打开USB设备读取数据并存储到主机硬盘中的CcdData．txt文件。

4 实验数据分析
    使用TEKTRONIX公司的示波器，对经过隔直处理后的RL2048P输出信号在各种实验条件下进行了测试和分析。如图2所示，VOUT为像元输出信号，每一个像元输出信号的开始都有一个同步参考信号，后面部分才为有效信号输出，由于CCD输出信号为负极性信号，所以有效信号值相对于参考信号为负。
    图5为全暗条件RL2048P的输出，由于光敏面上没有光，只有暗电平信号输出，所以像元的输出有效信号几乎为零。图6为弱光条件RL2048P的输出，有效信号幅值发生了变化。图7为全亮条件RL2048P的输出，有效信号到达了饱和值。RL2048P的实际输出和理论分析一致，工作正常。声光信号通过中间有孔的不透光遮挡板照在CCD上，使用应用软件进行数据采集。从CCD Data．txt数据文件中连续提取8 192个像元点即四帧CCD数据，Matlab软件分析如图8所示。

    有光照射的位置对应为高，实测数据和理论值吻合。在其他条件下也做相关实验，结果与理论基本一致。由于篇幅所限，本文不做详细介绍。实验结果表明，系统功能完整，可以实现声光信号的高速采集、传输及储存。

5 结 语
    系统采用现场FPGA作为硬件设计核心，使用Veritog语言。进行硬件描述，使系统更灵活，可在线编程，便于扩展和升级。这里的CCD驱动时序采用状态机与分频相结合的新方法，实际测试驱动波形稳定且没有毛刺，CCD输出信号质量高。USB应用于Slave FIFO高速传输模式，满足了高速CCD声光信号采集的要求，具有实时性、高速、稳定、可靠等特点。