基于FPGA的线阵CCD实时图像采集系统
2016/2/8 20:52:00
摘 要： 设计了一种基于现场可编程逻辑器件的线阵CCD实时图像采集系统。系统采用线阵CCD TCD2252D作为图像传感器，使用CCD专用信号处理芯片AD9826对CCD信号去噪并实现高速A/D转换，同时用USB接口芯片完成CCD数据的传输，最后在上位机显示采集的图像数据。整个系统由基于Verilog的CCD驱动模块、CCD输出信号处理模块、双口RAM缓存模块、USB接口控制模块等组成，结合上位机模块实现对CCD输出图像的准确采集、显示和保存。实验结果表明，该系统能实时采集和显示图像信息，USB传输速度可达28 MB/s，系统实时性好。
关键词： 实时采集；电荷耦合器件；现场可编程逻辑器件；信号处理
0 引言
目前，随着科学研究和工业生产的需要，越来越多的场合需要实时高速的图像采集处理系统。线阵CCD作为一种光电转换图像传感器，它利用光电转换原理将图像光信号转换为电信号，经过预处理和A/D转换后变为数字信号，通过一种上位机通信方式，可在逻辑器件的控制下实现对图像数据的采集传输，并在PC端进行后续处理。利用CCD采集图像具有检测精度高、处理速度快、抗干扰能力强、运行稳定等优点，其已广泛应用于图像采集、非接触式测量和实时监控等诸多领域[1]。
CCD器件的正常工作需要外加驱动时序脉冲，时序脉冲的产生方法有很多种，如数字电路驱动法、单片机驱动法、EPROM驱动法。虽然这些方法都可以产生时序脉冲，但是电路设计的难度大，兼容性差。本文直接使用FPGA来产生时序脉冲。FPGA高速、并行等优势使系统的设计非常灵活；FPGA的资源丰富，尤其是内部存储资源，可作为CCD数据的缓存，能够大大简化系统硬件电路的设计。
本文设计了一种基于FPGA的线阵CCD实时图像采集系统，它采用FPGA+USB的平台结构，以线阵CCD作为图像传感器，使用CCD专用信号处理芯片AD9826对CCD信号去噪并实现高速A/D转换，同时用USB接口芯片完成CCD数据的传输，最后在上位机上显示采集的图像数据。
1 系统设计方案
系统主要由CCD驱动模块、信号处理模块、数据缓存模块、双口RAM缓存模块、USB接口模块和上位机模块等组成，系统结构框图如图1所示。上电后，线阵CCD图像传感器在FPGA的驱动下接收前端图像信息，将光信号转换成电信号输出；然后，模数转换器AD9826对CCD输出信号作相关双采样并转换成数字信号，FPGA配置内部双口RAM作为数字信号的缓存区；最后，USB接口控制芯片把数字信号传输到上位机，在VS2008环境下开发上位机应用程序，实现图像数据的实时显示和存储，以便后续数据处理。
1.1 主控制器FPGA
FPGA是整个系统的核心，只有深入了解其内部结构，才能有效利用它。FPGA能够用较少资源实现较高的性能和更多的功能，满足低成本要求。本设计中的FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8，其内部具有6 272个逻辑单元，30个M9K内存单元，270 Kbit嵌入式存储器，2个锁相环，92个用户I/O，可自由分配其功能与外部电路的连接。在该系统中，FPGA主要负责CCD的驱动控制、AD9826的采样控制、双口RAM的配置以及对USB接口芯片的控制。经过资源估算，该FPGA完全可以实现系统的功能。
1.2 CCD驱动模块
线阵CCD是采集系统的重要器件，完成光信号向电信号的转换。本文采用的线阵CCD是东芝公司生产的TCD2252D。TCD2252D是一款高灵敏度、低暗电流的双沟道彩色线阵CCD，它由光敏区、转移栅、模拟移位寄存器及信号输出单元组成。该器件包含3列2 700有效像元的光敏二极管，分别采集红绿蓝三色，最小像素单元尺寸为
，相邻光敏列间距为64
[2]。
在线阵CCD图像采集应用中，CCD对驱动时序要求较为严格，只有精确的时序驱动才能保证CCD输出正确的像素信号。所以在CCD的应用中，首先要设计满足时序要求的驱动电路。根据芯片手册，该器件工作在5 V驱动脉冲、12 V电源条件下，其中6路驱动脉冲分别是转移脉冲SH、二相驱动脉冲F1和F2、采样保持脉冲SP、复位脉冲RS和箝位脉冲CP。
图2所示为TCD2252D驱动时序仿真波形，这六路驱动时序有着严格的时序关系。转移脉冲SH高电平期间驱动脉冲F1必须为高电平，而且SH的下降沿必须对应F1的高电平才能保证光敏区的信号电荷向模拟移位寄存器并行转移。驱动脉冲F1和F2是两个占空比为1∶2、频率为0.5 MHz且极性相反的方波脉冲；SP、RS、CP均是占空比为1∶8、频率为1 MHz的方波脉冲。SH脉冲的周期决定了光积分时间的长短。由于CCD正常输出时会有76个哑元像素和2 700个有效像素，所以在一个行周期内至少要有2 776个RS脉冲，从而可以计算出每次光积分所需的时间为TSH＞2 776TRS=2 776 
。为了保证后续AD9826对CCD信号的有效采样，在仔细分析CCD输出信号特点后，设置一个RS上升沿计数器，当该计数器计数到64时置1，AD9826开始对CCD有效输出信号进行相关双采样。
TCD2252D需要5 V的CMOS驱动电平，但FPGA输出为3.3 V的TTL电平，因此需要使用电平转换电路增强FPGA输出信号的驱动能力。TI公司研发的电平转换芯片SN74LVC4245能实现8位总线的3.3 V和5 V逻辑电平的双向转换，工作频率高达10 MHz，能满足本系统CCD驱动频率1 MHz的要求。
1.3 信号处理模块
由于CCD输出的是带有暗电流噪声和输出放大器复位脉冲串扰的模拟信号，因此必须进行信号处理才能为后续电路使用[3]。本系统中，使用ADI公司生产的专用CCD信号处理芯片AD9826，该芯片集成16位ADC，速度可达15 MS/s。作为模数转换芯片，其片内集成相关双采样（Correlated Double Sampler，CDS）等多种功能电路，提高了信号预处理的质量，简化了电路的设计。
AD9826由VINR、VNG、VINB三路独立采样通道电路组成，每个采样通道都由输入箝位电路、相关双采样电路、偏移DAC和可编程增益放大器组成，并通过多路复用（MUX）接入一个16位模数转换器，采样输出信号通过8位并行数据总线分时输出16位数据。此处系统设计只取一路线阵CCD输出，选择VINR红色通道作为信号输入，采用单通道CDS和16 bit转换模式。CCD输出R信号经过隔直电容，将有效信号耦合输入到AD9826中VINR通道采样，其他两个通道要做接地处理，以防止对VINR通道产生干扰，如图3所示。
AD9826的工作模式可通过三线双向串行接口（SCLK、SLOAD、SDTATA）配置内部寄存器来设定。串行时钟SCLK最高频率为10 MHz，系统采用5 MHz频率，由主时钟50 MHz分频可得。CCD输出信号幅值为0~4 V，不需要AD9826内部增益放大。
AD9826工作在单通道CDS工作模式下，CDS电路在每一像素周期内对输入的CCD信号采样两次。CDSCLK1的下降沿采样参考信号，CDSCLK2的下降沿采样有效信号。CDS电路输出的是两次采样值之差，消除了噪声，此时信号即为有效视频信号。
分析CCD输出信号特点，FPGA内部产生AD9826的工作时序，确保对CCD输出信号的正确采样。CCD连续输出2 700个有效像素单元信号之前，先输出64个哑元信号，此处在CCD第64个复位脉冲上升沿到来后FPGA设置采样使能信号cds_en有效。考虑到单通道CDS模式下，模数转换的数据会延迟3个采样时钟周期输出，在第2 768个复位脉冲上升沿后拉低采样使能cds_en，这样才能采集到完整的2 700个CCD像素信号。由于TCD2252D输出像元频率为1 MHz，AD9826的相关双采样时钟CDSCLK1、CDSCLK2和采样时钟ADCLK都设置为1 MHz。
1.4 数据缓存模块
数据缓存模块的功能是保证数据采集与传输的连续性。由于USB接口芯片的传输速率和A/D转换后的数据速率不同步，需要在两者之间增加一个数据缓存单元。目前常用的数据缓存器件有SRAM、双口RAM、FIFO等。高速数据采集系统中，常使用异步FIFO进行数据缓存，但只能对FIFO顺序地读/写数据。当需要存取特定单元的数据而非全部存储空间时，系统的灵活性大大降低。因此本设计采用双口RAM进行数据缓存，较好地解决了时钟不匹配的问题。
为了有效利用FPGA片内资源，简化电路设计，本文在FPGA内部定制双口RAM来缓存模数转换后的数字信号。EP4CE6E22C8内部集成了30个M4K RAM块，足够CCD输出一帧图像数据（2 700×16 bit）的缓存。此处在FPGA内部配置深度为4 096、位宽为16 bit的双口RAM。写时钟和AD9826的采样时钟ADCLK一致，写地址计数到2 699时，开始读RAM。读时钟与写USB端点FIFO的时钟IFCLK一致，保证数据传输的完整性和稳定性。
1.5 USB接口模块
USB接口模块的功能是将FPGA内部缓存的图像数据读出来，传输给上位机。USB电路设计的主要对象是USB接口控制芯片。目前，市场上多家半导体厂商提供USB接口控制芯片。本系统采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB接口控制芯片CY7C68013来传输图像数据。CY7C68013是一款具有USB2.0协议的微控制处理器，最高传输速率可达480 Mb/s，其片内集成USB2.0收发器、增强型的8051控制器、智能串行接口引擎（SIE）、4 KB的FIFO存储器和可编程I/O接口。
由于FX2芯片集成度高，用户在不熟悉复杂的USB底层协议的情况下也可以顺利开发USB接口设备。FX2有Slave FIFO和GPIF两种接口方式。此处采用Slave FIFO接口方式进行数据通信。在该模式下，FPGA作为主机，与USB通信传输数据不经过CPU的控制，而是经过芯片内部端点FIFO来传输，传输速度和CPU使用率更高。CY7C68013与FPGA的接口电路如图4所示，CY7C68013的并行数据引脚和控制状态引脚直接与FPGA接口相连即可。
USB接口设计主要是设计FPGA对USB接口芯片的逻辑控制[4]。FX2工作于Slave FIFO模式时，FPGA可以像对普通FIFO一样对FX2中端点的数据缓冲区进行读写。FPGA提供给芯片普通的时序信号、握手信号、读写信号和输出允许信号。本系统FX2工作于同步写方式，接口时钟由FPGA提供。当SLWR有效时，FD总线上的数据在每个时钟信号IFCLK上升沿时被写入FIFO。
FPGA程序中采用状态机实现同步写Slave FIFO方式，状态描述如下：（1）IDLE：总线空闲，当双口RAM中存储的数据达到设定深度时，写事件发生，转到状态state1；（2）state1：指向IN FIFO端口，激活FIFOADR[1：0]，选择端点6，然后转向状态state2；（3）state2：判断FIFO“满”标志FLAGB的状态，如果为假，即FIFO不满，则转向状态state3，否则停留在该状态；（4）state3：写数据到总线上，激活SLWR，写数据到FIFO并增加FIFO指针，然后转向状态state4；（5）state4：检测是否有更多的数据要写，如果有则转向状态state2，否则转向状态IDLE。
1.6 上位机模块
上位机用来检测USB设备的连接状态，显示采集到的CCD数据。上位机采集有两个采集模式：实时采集模式连续地接收来自CCD的图像数据并显示；单帧采集模式单次接收来自CCD的图像数据并显示。保存数据将当前显示的一帧像素数据保存在安装目录下。
正常情况下，系统的USB设计包括三个方面的程序设计：固件程序设计、设备驱动程序设计和上位机应用程序设计[5]。Cypress公司为开发者提供了完善的软件开发工具包，开发者只需在官方例程固件框架上修改TD_Init函数即可变为自己的固件，至于USB驱动程序可以使用工具包自带的通用驱动程序，只需将驱动引导文件中对应的VID和PID修改成与固件一致即可。上位机程序在VS2008环境下开发，用户可以使用CYIOCTL控制函数类和CyAPI控制函数类来实现对USB设备读取数据。
2 实验分析
在室光条件下，系统以线阵CCD作为图像传感器，采集外界图像信息。当双口RAM中一帧数据存储完信号和读使能信号有效时，USB接口芯片开始传输CCD图像数据，送给上位机显示。图5为线阵CCD传感器部分遮光时采集到的一帧图像，图中低电平为CCD被遮部分的光强分布。由采集到的数据和上位机显示可以看出采集系统能够实现CCD数据的实时采集。
3 结论
本文设计了基于FPGA的线阵CCD实时采集系统，以线阵CCD作为图像传感器，使用CCD专用信号处理芯片AD9826对CCD信号去噪并实现高速A/D转换，同时用USB接口芯片完成CCD数据的传输，最后在上位机上显示采集的图像数据。系统采用集成了相关双采样、可编程增益放大器的专用CCD处理芯片，而不是像以往那样采用分立元件搭建模拟处理电路，并且充分利用FPGA内部RAM作数据缓存，简化了电路设计，减小了功耗，增加了系统的灵活性。系统扩展性较强，适用于机器视觉、非接触测量等领域。
参考文献
[1] 王庆有.CCD应用技术[M].天津：天津大学出版社，2000.
[2] 陆荣鑑，陈丰饶.基于CPLD的彩色线阵CCD在木板色选系统中的应用[J].机电工程，2012（6）：737-740.
[3] 黄涛，廖胜，韩维强.基于AD9978A双通道的CCD相机设计[J].电子技术应用，2013，39（3）：57-60.
[4] 辛凤艳，孙晓晔.基于FPGA和线阵CCD的高速图像采集系统[J].计算机技术与发展，2012（8）：205-207，212.
[5] 薛圆圆，赵建领.USB应用开发宝典[M].北京：人民邮电出版社，2011.