通用线阵CCD采集系统设计 - 模拟技术 - 电子工程师俱乐部

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<strong>1 引言</strong>

随着微型光谱仪快速发展，CCD和PDA广泛使用，CCD和PDA的种类型号越来越多，每种型号都需要专门的驱动采集板，使得开发产品周期长、费用大。这里提出一种基于FPGA和USB的通用CCD采集系统设计方案。该系统在不改变硬件的情况下可以采集多种CCD，并上传至PC机，使用软件处理采集到的数据。

<strong>2 通用CCD采集系统设计</strong>

系统部署图如图1所示。系统硬件分为接口板、通用驱动采集板、计算机。接口板匹配驱动信号，将CCD输出视频信号通过前置处理后链接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D转换器对视频信号进行模数转换后，按帧暂存在FPGA内的FIFO中，通过USB快速块传输模式上传到计算机中．最后计算机软件MEMSpector处理并显示采集到的谱线。


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2010-3-12 16:56:07 上传
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通用性是由通用CCD驱动模块和16In8Out异步 FIFO实现的。根据不同类型的CCD编制不同的CCD驱动模块，采用16In8Out异步FIFO，FIFO根据CCD驱动模块提供的FS帧同步来确定暂存A／D转换一帧像元数，实现了采集A／D转换数据与USB传输的分离，在修改或升级CCD驱动时，无需修改采集和数据输出代码，实现了通用性。

2．1 CCD接口板

由于大多数CCD管脚不兼容，视频输出电压也不同。CCD接口板提供CCD插座和转接CCD驱动信号以及输出信号电压匹配。 CCD接口板是各种类型CCD链接到通用CCD采集板的纽带。

2．2 通用驱动采集板

通用驱动采集板由A／D转换、FPGA(通用CCD驱动器模块和16In8Out异步FIFO模块)、USB 3部分组成。A／D转换部分完成系统的A/D转换；FPGA部分完成系统的CCD驱动、数据采集、CDS实现；USB部分完成数据的传输。

2．2．1 A／D转换部分

系统需采集多种CCD并实现CDS，而且系统主要由USB供电，这就要求A／D转换速度快，供电电压低，最好参考电压内置。 AD9235-40属于12位、40 MS／s模数转换器系列，采用3 V单电源供电，该系列均内置一个高性能采样保持放大器(SHA)和基准电压源。AD923540采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在40 MSP／S数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。

FPGA中采集信号发生器提供A／D采集时钟，同时也控制 FIFO和CCD驱动器。A／D采样速率不再受数据传输和采集制约，采样速率完全和CCD速度匹配。并可实现1帧内1个像元的双采样，从而实现CDS。

2．2．2 FPGA部分的通用CCD驱动器模块

由于不同生产商的CCD器件的驱动时序往往差别很大，因此需针对每种CCD器件编制其CCD驱动器模块。驱动时钟和采集脉冲由分频器和采集信号发生器提供，如图2所示。


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CCD驱动器输入信号由两路驱动时钟和积分时间控制信号INT组成；输出信号由帧同步信号FS和CCD Driver信号组成。不同的CCD驱动器模块仅CCD Driver信号有所不同，其他接口一样。在改变CCD时只需替换CCD驱动器模块即可。

2．2. 3 FPGA部分的16In8Out异步FIFO

FIFO用于暂存A／D转换的信号。待存满1帧并且USB块传输空闲后，将FIFO中的1帧数据通过快速块传输上传至计算机。1帧的像元个数由CCD驱动模块提供的FS信号决定。FIFO内的存储空间为192 Kb。满足线阵CCD和小型面阵CCD的数据存储需求。图3为16In8Out异步FIFO的内部原理图。


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图3中，FS是帧同步，在FIFO中重置暂存指针，DataIN是暂存数据采集完毕信号，DataRdy是判断USB是否空闲信号，ADclk是 FIFO的写信号，16BitIN是FIFO的读16位入口，读取A／D信号，这里兼容16位，本设计只用12位，其他4位空闲。8BitOUT是 FIFO的8位输出口，RD是FIFO的读出时钟信号。在FIFO中读入的16位信号分高低位分别存储在2个8 bit存储器中，在输出时，按先高后低的顺序输出，从而完成16In8Out的转换，部分实现代码如下：


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在信号FS的控制下，FIFO不断地对整帧信号进行刷新，当USB传输信号到来时，刷新当前帧完毕后，开始 USB快速读入操作。

2．2．4 USB部分

USB采用Cypress公司的AD2131Q，其核提供一种快速传输模式．改进 8051的外部逻辑与同步／块端点缓冲器之间的传输速度。将FASTXFR寄存器设置为01010000B，读写选通时序模式为10，提供更宽的脉冲宽度，便于读取FPGA的异步FIFO信号。FIFO存储满1帧数据，由USB器件使用快速块传输上传到计算机，约6 ms完成。表1为块传输传一个像元数据所用汇编程序对比。


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2．3 软件设计

软件设计主要包括3方面工作：USB驱动程序设计、动态链接库设计以及应用处理软件设计。

2．3．1 USB驱动程序设计

EZ-USB提供的FPD(通用设备驱动程序)是一个通用的设备驱动程序。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和编译驱动程序，生成文件ezusb.sys。具体操作如下：①修改驱动程序的PID。在工程里 EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不变，PID自行设定。②利用hex2c.exe将USB固件Intel HEX记录格式的代码文件转换为C文件，打开该C文件，用其中的firmware[]数组代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的数组。③编译生成ezusb.sys文件并编写相应的INF文件。

2．3．2 动态链接库设计

动态链接库主要是通过I／O控制调用来访问EZ-USBGPD。通过调用CreateFile()来取得访问设备驱动程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制码，从而完成USB的控制和输入／输出操作。

2．3．3 应用处理软件设计

应用软件通过访问动态链接库(DLL)获取采集谱线数据，其主要功能有显示、设置积分时间、定格谱线、保存、捕捉、局部放大、添加谱线。

<strong>3 测试结果</strong>

采用通用CCD采集系统分别对 3款CCD进行驱动和采集。这3种CCD的参数如表2所示。使用应用软件EMSpectro采集上述CCD谱线，采集效果如图4所示。


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<strong>4 结束语</strong>

采用该系统对3种不同型号CCD成功驱动并采集，测试结果达到了预期的效果。系统体积小、功耗低、兼容性好、可扩展性高。该系统已成功应用于实验室开发CCD相关项目中。

<strong>参考文献</strong>

1. Martin Fowler,Kendall Scott.UML精粹[M].徐家福,译.北京:清华大学出版社,2002.
2. ANALOG DEVICES.12-bit,20/40/65 MSPS 3V A/D converter AD9235[EB/OL].2004.http://www.analog.com/static/imported-fil es/data_sheets/A D9235.pdf.
3. 颜荣江.EZ-USB2100系列单片机原理、编程及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.
4. SONY.3000-pixel CCD linear image sensgr (B/W)ILX526A[EB/OL].2009.http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vo107/p df/ilx526.pdf
5. TOSHIBA.CCD LINEAR IMAGE SENSOR CCD(Charge Coupled Device)TCD 1304AP[EB/OL].2001.http://www.zygo.btinternet.co.uk/tcd1304ap.pdf.
6. Panavision SVI,LLC.SLIS-2048 high speed 2048 x llineScanimage sensor[EB/OL].2004.http://www.panavisionimaging.com/PDF/PDS0005Revl.pdf.

作者：李正刚(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院研究生院,北京,100039 袁红艳(长春奥普光电技术有限公司,吉林,长春,130033) 吴一辉(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033)

来源：电子设计工程 2009（12）