行间转移型面阵CCD图像采集系统的研究

0 引言
    电荷耦合器件(charge coupled devices CCD)作为一种高性能的光电图像传感器，具有光谱响应宽、线性好、动态范围宽、噪声低、灵敏度高、实时传输和电荷扫描等多方面优点，目前已广泛应用于图像传感和非接触测量领域。近年来，利用可编程逻辑器件实现面阵CCD的驱动已经成为众多科研开发者的共识，相关工程应用研究课题也如雨后春笋般出现。然而，目前国内基于面阵CCD驱动方面的研究主要针对帧转移型面阵CCD的驱动时序的实现方面，对行间转移型面阵CCD驱动的研究很少，本文给出了行间转移型面阵CCD数据采集系统完整的软硬件设计。

1 面阵CCD图像采集系统组成
    整个系统的原理框图如图1所示，系统由图像传感器、智能电源模块、时序产生及驱动模块、视频信号处理模块和USB传输接口等部分组成。系统在上电时，智能电源模块产生所需的各种电压并按不同的顺序供给CCD芯片，然后给其它模块供电。物体透过光学系统将其影像投影于面阵CCD的感光区域上，CCD在驱动脉冲的作用下进行光电转换，将物体的光信号转变成视频信号传给视频信号处理模块，视频信号处理模块对视频信号进行前置放大、抑制干扰、滤除噪声以及数模转换后，输出数字图像信号。转换的数字图像信号经USB传输接口输出到电脑上，为后续CCD信号的分析处理提供了可靠依据。系统的核心是时序产生及驱动模块，CCD正常工作所需的驱动脉冲、视频信号处理模块所需的采样控制脉冲、USB传输所需的同步信号以及智能电源模块上电顺序的控制都由时序产生及驱动模块提供。

2 行间转移CCD驱动时序发生器设计
2．1 ICX098AK芯片
    按电荷包转移方式的不同，面阵CCD可以分为：帧转移型(FT：Frame Transfer)、行间转移型(IT：InterlineTransfer)、帧行间转移型(FIT：Frame Interline Transfer)。摄像机或数码相机最常使用的方式为行间转移方式，行间转移CCD是帧转移CCD的发展，也是目前市场上的主流产品。在构造上，光敏区每隔一列，就有一列遮光的垂直存储单元。故而，每次电荷包的读出转移只需一次并行移动即可快速完成，从而有效降低了帧转移型CCD产生的垂直拖影噪声。行间转移CCD通常具有电子快门功能，且电子快门速度可达到毫秒级别，串扰非常小。
    系统选用Sony公司的ICX098AK芯片作为图像传感器，该芯片是一款具有可变电子快门的行间转移型彩色面阵CCD，即使无机械快门，也能实现高分辨率全帧图像转移：具有较低的暗电流与极好的Anti-B1ooming(抗晕光)特征。滤色器为Bayer排列方式。有效像元数为659(H)×494(V)，像敏单元尺寸为5．6μm(H)×5．6μm(V)。水平驱动频率为12．27MHz。它有两种工作模式，逐行扫描模式和隔行扫描模式(监控模式)。其寄存器特征及管脚定义如图2所示。

2．2 驱动时序分析
    不同于帧转移方式，行间转移CCD在构造上不需要存储区，主要由光电二极管，垂直移位寄存器，水平移位寄存器和输出放大器组成。ICX098AK的一个工作周期分为三个阶段：感光阶段、读出阶段和转移阶段。在场正程期间像敏区进行光积分(感光阶段)，这个期问转移栅为低电平，转移栅下的势垒将像敏单元的势阱与读出寄存器的势阱隔开。场正程结束(光积分时间结束)后，进入场逆程。在场逆程期间转移栅上产生一个正脉冲即读出脉冲，将像敏区的信号电荷并行地转移到垂直寄存器中，转移过程结束后，光敏单元与读出寄存器又被隔开。在下一个场正程期间，一方面感光阵列进行光积分，产生新的信号电荷；同时在行逆程期间，上一场转移到垂直寄存器的光生电荷在垂直驱动脉冲的作用下一行行地向水平读出寄存器中转移。在行正程期间，水平移位寄存器受水平驱动脉冲的控制快速地将电荷包经输出放大器串行输出。在输出端得到与光学图像对应的一行行的视频信号。
2．3 基于CPLD的CCD时序发生器的实现
    面阵CCD器件应用最重要的环节是驱动电路的设计与实现。CCD芯片所对应的原厂生产的专用驱动芯片虽然集成度高、可靠性好，但是价格昂贵且功能固定、通用性较差。本系统选用高速度、多端口的可编程逻辑器件CPLD作为面阵CCD的时序发生器，通过硬件描述语言VHDL，的输入方式实现数字时序的多端口并行且高相位精度的输出，不仅有效地控制了产品开发的成本，而且极大的提高了同类型产品开发的效率。
    CCD驱动程序采用MCK时钟(12．27MHz)3倍频作为唯一的系统时钟，通过两个内外循环嵌套系统实现：行逆程的垂直转移和行正程的水平输出构成内循环；场周期即为外循环。两个循环过程都是通过对系统时钟的分频、计数与组合生成所需的驱动时序。
    选用复杂可编程逻辑器件EPM7128SLC-84-10作为硬件设计平台，并在Maxplus II软件设计环境下进行了时序仿真，得到了完全符合ICX098AK设计要求的时序波形，如图3所示。

3 视频信号处理模块
    视频信号处理模块是连接CCD输出和后端数字处理的桥梁，是决定图像质量的关键因素之一，也是调试中的一个难点。其主要功能有：线性放大、直流箝位、相关双采样、低通滤波，模数转换。如果这些功能都采用分立元件来实现，则有电路复杂、成本高、调试困难等缺点。因此，系统采用了CCD信号专用处理芯片CXA2006Q和CXD2310AR来完成对CCD输出信号的处理。
3．1 相关双采样技术
    由于CCD输出的原始视频信号中，除包含有幅值很小的有效视频电压信号(一般只有几百毫伏)外，还混杂有幅度较大的复位脉冲干扰，致使有效的视频信号常常淹没在噪声中。相关双采样(CDS)就是根据CCD输出信号和噪声信号的特点而设计，它能消除复位噪声的干扰，可以显著改善信噪比，提高信号检测精度。CDS采用两级高速采样保持器(S／H)，一级用来采集复位电平，即在复位脉冲过去之后至信号电荷包到来之前某一时刻的电平；另一级用来采集像元信号电平，即在水平时钟串扰后到信号电荷到来前的某一时刻电平：然后将两次采集的电平进行差分比较，就得到了实际的信号电平。
    系统选用Sony公司的CXA2006Q作为前端放大器，其采用相关双采样技术CDS(correlated double sampling)提取图像信息，内部集成有CCD信号AGC(自动增益控制)控制范围可以达到8dB～38dB，具有良好的输入信号钳位和CDS输入偏移校正性能， 并提供暗电平钳位给出准确的暗电平参考，同时为A／D提供精确的参考电平。图4为示波器上观察到的CCD输出的原始视频信号经CXA2006Q去噪后的纯净视频信号。

3．2 模数转换
    前端放大器CXA2006Q的输出是模拟信号，为便于数据压缩和传输，需要把它转换成数字信号，根据技术指标要求，系统选用Sony公司低功耗高精度的CXD2310AR作为模数转换器。它是一款逐次逼近型A／D转换器，分辨率为10bit，最高采样频率20MSPS，最大功耗为1 50mW，最大采样延时6ns。CXD2310AR在采样脉冲控制下把模拟视频信号转换成数字视频信号，并按规定的格式驱动输出。

4 智能电源模块
    面阵CCD系统设计的另一难点是能够提供稳定的多电压，且各电压上电顺序可控的智能电源模块的设计。实现上电顺序的控制有多种方式，比较典型的方式是利用晶体管做开关，由外部控制电平作为控制输入。利用CPLD的输出来控制三极管的基极，双极型线性稳压器MC34063升压(降压)后的输出接PNP三极管的射极。经试验证明，选用MC34063输出的电压会随负载的变化而不稳定且电压纹波较大，进而对整个系统的硬件电路造成较大的干扰。因而采用Maxim公司的MAX685芯片，本芯片专为面阵CCD上电控制应用而设计，具有两个独立的正负电压输出端口；可选择的上电顺序以及逻辑电平控制上电开关；其工作频率可以和外频率同步，并有输出正常标志电平(POK)，易于实现反馈控制。同时采用MAX687为CPLD及视频信号处理电路提供3．3V的稳定电压。

5 结论
    在分析行间转移面阵CCDICX098AK驱动时序关系的基础上，完成了驱动时序发生器的软硬件设计。采用专用视频处理芯片对CCD原始模拟信号进行去噪、量化，运用USB2．O的传输接口进行图像数据的高速传输，整个系统运用VHDL语言进行硬件编程，简化了硬件开发的难度和复杂度，减小了系统的体积和功耗，满足CCD采集系统向高速、小型化、智能化发展的需要。