新型數(shù)字CCD相機及其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡設計

摘要：以ＤＡＬＳＡ 公司的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機為例，詳細討論了數(shù)字ＣＣＤ相機的接口信號及其時序關系；研究了數(shù)字ＣＣＤ相機圖像傳輸卡的關鍵技術，介紹了傳輸卡的電路原理及各部分的實現(xiàn)方法。

隨著ＣＣＤ技術的發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型ＣＣＤ相機不斷出現(xiàn)。ＣＣＤ相機輸出的數(shù)字化，簡化了相機與傳輸采集系統(tǒng)的接口設計，使數(shù)字ＣＣＤ相機正越來越多地成為實時ＰＣＩ控制、數(shù)據(jù)采集、圖形圖像處理、遙感遙測等系統(tǒng)中的探測器。這種ＣＣＤ相機多采用幀轉移型體系結構，轉換速度快，量化精度、量子效率高。準確理解相機的接口信號及其時序關系，掌握其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的原理及實現(xiàn)方法，可大大拓寬數(shù)字ＣＣＤ相機的應用領域，提高應用系統(tǒng)的靈活性。

１ 數(shù)字ＣＣＤ相機及其接口技術

在本系統(tǒng)中使用ＤＡＬＳＡ公司生產(chǎn)的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機。該相機是一種幀轉移型的ＣＣＤ相機，相機的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機內(nèi)部采用了相關雙采樣（ＣＤＳ）、垂直反暈（ＶＡＢ）等技術，大大提高了相機的成像品質。相機輸出經(jīng)過采樣、量化的數(shù)據(jù)，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４Ｈｚ，電子快門。相機內(nèi)部由ＣＣＤ圖像傳感器、驅動器、定時器、Ａ／Ｄ轉換等模塊組成。其接口信號分為兩類：用戶總線接口信號和數(shù)據(jù)總線接口信號。

用戶總線接口信號包括：

·ＥＸＳＹＮＣ?觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。當ＥＸＳＹＮＣ固定接低電平時，相機以最大幀速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當ＥＸＳＹＮＣ正負交替時，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。

·ＰＲＩＮ?像元復位信號，為可選信號。在兩次ＥＸＳＹＮＣ有效之間復位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時間。ＰＲＩＮ低有效，在其上升沿開始有效曝光。如果ＰＲＩＮ固定接高電平，積分時間最大；如果ＰＲＩＮ被固定接低電平，探測器收集不到任何圖像信息。

·ＢＩＮ?像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會降低相機的空間分辨率，但會增強探測器對光的敏感性。ＢＩＮ信號高有效，不用時將其接為低電平。

以上信號均由應用系統(tǒng)產(chǎn)生，送給相機，為應用系統(tǒng)根據(jù)需要設定相機的工作模式提供了手段。

數(shù)據(jù)總線接口信號為相機輸出信號，包括：

·ＤＡＴＡ０～１１?１２位數(shù)據(jù)總線。ＤＡＴＡ０～１１是相機輸出的、分別對應目標某個像元灰度的１２位圖像數(shù)據(jù)。

·ＳＴＲＯＢＥ?像元時鐘信號。ＳＴＲＯＢＥ是圖像數(shù)據(jù)的像元時鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無效，ＳＴＲＯＢＥ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，傳輸卡應在ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ為高電平時，在ＳＴＲＯＢＥ的下降沿進行數(shù)據(jù)鎖存。

·ＦＶＡＬ?幀同步信號。ＦＶＡＬ高電平表明相機正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。

·ＬＶＡＬ?行同步信號。當ＦＶＡＬ為高電平時，ＬＶＡＬ高電平表明相機正輸出一個有效的像元行。在兩個有效行之間，ＬＶＡＬ會變低跳過幾個無效的像元，跳過的像元數(shù)取決于相機的型號和預觸發(fā)設定。

圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正是利用這些接口信號來實現(xiàn)對相機的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按ＲＳ４２２規(guī)范?以差分方式在數(shù)字相機和圖像傳輸卡間進行傳輸，傳輸電纜為１００Ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機接口信號之間的時序關系。

當ＰＲＩＮ由低電平向高電平跳變時，相機開始曝光。達到設定的曝光時間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號變低，觸發(fā)幀讀出。此時相機首先進行幀轉移，幀轉移一結束，輸出信號ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開始，ＬＶＡＬ由低變高表示相機正輸出有效像元行。當ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ再一次變低時，表示一幀數(shù)據(jù)輸出結束，可以開始第二次觸發(fā)幀讀出（使ＥＸＳＹＮＣ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉移結束后與第二次幀讀出啟動前這段時間進行，曝光時間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

２ 數(shù)字ＣＣＤ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的設計實現(xiàn)

在應用系統(tǒng)中，數(shù)字ＣＣＤ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的主要任務是產(chǎn)生相機工作所需的輸入信號，解譯相機的輸出信號，使相機在電控方式下工作?并實時、正確地抓取相機輸出的圖像數(shù)據(jù)，在相機和計算機內(nèi)存之間建立硬件傳輸通道。為了適應數(shù)字ＣＣＤ相機數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，早期基于ＩＳＡ總線的圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正逐步向基于ＰＣＩ總線的傳輸卡過渡。

２．１ 圖像數(shù)據(jù)傳輸卡電路說明

筆者設計開發(fā)的適用于ＤＡＬＳＡ公司ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ型數(shù)字ＣＣＤ相機的圖像傳輸卡的原理框圖如圖２所示。

驅動轉換接口電路對相機與傳輸卡間的接口信號進行ＲＳ４２２和ＴＴＬ電平間的相互轉換；雙口ＲＡＭ為幀存儲器，經(jīng)編程控制可將相機輸出的一幀圖像數(shù)據(jù)寫入，或經(jīng)ＰＣＩ橋讀出圖像數(shù)據(jù)至內(nèi)存。采用幀存儲器可以實現(xiàn)多個相機同時曝光，圖像數(shù)據(jù)分時通過計算機總線寫入內(nèi)存。ＦＰＧＡ時序發(fā)生器用來產(chǎn)生雙口ＲＡＭ的地址線、讀寫控制線以及相機和傳輸卡正常工作所需的聯(lián)絡信號。ＰＣＩ接口芯片是計算機與雙口ＲＡＭ及ＦＰＧＡ間的橋梁，在它們之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號的傳輸，并可通過初始化設置，實現(xiàn)ＰＣＩ協(xié)議提供的各種傳輸模式。

２．２ ＦＰＧＡ時序邏輯發(fā)生器設計

本圖像數(shù)據(jù)傳輸卡采用ＡＬＴＲＡ公司生產(chǎn)的ＦＰＧＡ芯片ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４－１５作為時序邏輯發(fā)生器。通過在系統(tǒng)編程（ＩＳＰ）使其實現(xiàn)一個２０位計數(shù)器、一個１位計數(shù)器、兩個鎖存器及十幾個非標邏輯門的功能。其中２０位計數(shù)器給１Ｍ×４Ｂｉｔ的幀存儲器提供地址；１位計數(shù)器用來對卡上的３０ＭＨｚ時鐘信號進行二分頻，產(chǎn)生１５ＭＨｚ的ＶＣＬＫ信號；兩個鎖存器分別輸出行同步和

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