摘 要： 設計了一種基于現場可編程邏輯器件的線陣CCD實時圖像采集系統。系統采用線陣CCD TCD2252D作為圖像傳感器，使用CCD專用信號處理芯片AD9826對CCD信號去噪并實現高速A/D轉換，同時用USB接口芯片完成CCD數據的傳輸，最后在上位機顯示采集的圖像數據。整個系統由基于Verilog的CCD驅動模塊、CCD輸出信號處理模塊、雙口RAM緩存模塊、USB接口控制模塊等組成，結合上位機模塊實現對CCD輸出圖像的準確采集、顯示和保存。實驗結果表明，該系統能實時采集和顯示圖像信息，USB傳輸速度可達28 MB/s，系統實時性好。
關鍵詞： 實時采集；電荷耦合器件；現場可編程邏輯器件；信號處理
0 引言
目前，隨著科學研究和工業生產的需要，越來越多的場合需要實時高速的圖像采集處理系統。線陣CCD作為一種光電轉換圖像傳感器，它利用光電轉換原理將圖像光信號轉換為電信號，經過預處理和A/D轉換后變為數字信號，通過一種上位機通信方式，可在邏輯器件的控制下實現對圖像數據的采集傳輸，并在PC端進行后續處理。利用CCD采集圖像具有檢測精度高、處理速度快、抗干擾能力強、運行穩定等優點，其已廣泛應用于圖像采集、非接觸式測量和實時監控等諸多領域[1]。
CCD器件的正常工作需要外加驅動時序脈沖，時序脈沖的產生方法有很多種，如數字電路驅動法、單片機驅動法、EPROM驅動法。雖然這些方法都可以產生時序脈沖，但是電路設計的難度大，兼容性差。本文直接使用FPGA來產生時序脈沖。FPGA高速、并行等優勢使系統的設計非常靈活；FPGA的資源豐富，尤其是內部存儲資源，可作為CCD數據的緩存，能夠大大簡化系統硬件電路的設計。
本文設計了一種基于FPGA的線陣CCD實時圖像采集系統，它采用FPGA+USB的平臺結構，以線陣CCD作為圖像傳感器，使用CCD專用信號處理芯片AD9826對CCD信號去噪并實現高速A/D轉換，同時用USB接口芯片完成CCD數據的傳輸，最后在上位機上顯示采集的圖像數據。
1 系統設計方案
系統主要由CCD驅動模塊、信號處理模塊、數據緩存模塊、雙口RAM緩存模塊、USB接口模塊和上位機模塊等組成，系統結構框圖如圖1所示。上電后，線陣CCD圖像傳感器在FPGA的驅動下接收前端圖像信息，將光信號轉換成電信號輸出；然后，模數轉換器AD9826對CCD輸出信號作相關雙采樣并轉換成數字信號，FPGA配置內部雙口RAM作為數字信號的緩存區；最后，USB接口控制芯片把數字信號傳輸到上位機，在VS2008環境下開發上位機應用程序，實現圖像數據的實時顯示和存儲，以便后續數據處理。
1.1 主控制器FPGA
FPGA是整個系統的核心，只有深入了解其內部結構，才能有效利用它。FPGA能夠用較少資源實現較高的性能和更多的功能，滿足低成本要求。本設計中的FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8，其內部具有6 272個邏輯單元，30個M9K內存單元，270 Kbit嵌入式存儲器，2個鎖相環，92個用戶I/O，可自由分配其功能與外部電路的連接。在該系統中，FPGA主要負責CCD的驅動控制、AD9826的采樣控制、雙口RAM的配置以及對USB接口芯片的控制。經過資源估算，該FPGA完全可以實現系統的功能。
1.2 CCD驅動模塊
線陣CCD是采集系統的重要器件，完成光信號向電信號的轉換。本文采用的線陣CCD是東芝公司生產的TCD2252D。TCD2252D是一款高靈敏度、低暗電流的雙溝道彩色線陣CCD，它由光敏區、轉移柵、模擬移位寄存器及信號輸出單元組成。該器件包含3列2 700有效像元的光敏二極管，分別采集紅綠藍三色，最小像素單元尺寸為
，相鄰光敏列間距為64
[2]。
在線陣CCD圖像采集應用中，CCD對驅動時序要求較為嚴格，只有精確的時序驅動才能保證CCD輸出正確的像素信號。所以在CCD的應用中，首先要設計滿足時序要求的驅動電路。根據芯片手冊，該器件工作在5 V驅動脈沖、12 V電源條件下，其中6路驅動脈沖分別是轉移脈沖SH、二相驅動脈沖F1和F2、采樣保持脈沖SP、復位脈沖RS和箝位脈沖CP。
圖2所示為TCD2252D驅動時序仿真波形，這六路驅動時序有著嚴格的時序關系。轉移脈沖SH高電平期間驅動脈沖F1必須為高電平，而且SH的下降沿必須對應F1的高電平才能保證光敏區的信號電荷向模擬移位寄存器并行轉移。驅動脈沖F1和F2是兩個占空比為1∶2、頻率為0.5 MHz且極性相反的方波脈沖；SP、RS、CP均是占空比為1∶8、頻率為1 MHz的方波脈沖。SH脈沖的周期決定了光積分時間的長短。由于CCD正常輸出時會有76個啞元像素和2 700個有效像素，所以在一個行周期內至少要有2 776個RS脈沖，從而可以計算出每次光積分所需的時間為TSH＞2 776TRS=2 776 
。為了保證后續AD9826對CCD信號的有效采樣，在仔細分析CCD輸出信號特點后，設置一個RS上升沿計數器，當該計數器計數到64時置1，AD9826開始對CCD有效輸出信號進行相關雙采樣。
TCD2252D需要5 V的CMOS驅動電平，但FPGA輸出為3.3 V的TTL電平，因此需要使用電平轉換電路增強FPGA輸出信號的驅動能力。TI公司研發的電平轉換芯片SN74LVC4245能實現8位總線的3.3 V和5 V邏輯電平的雙向轉換，工作頻率高達10 MHz，能滿足本系統CCD驅動頻率1 MHz的要求。
1.3 信號處理模塊
由于CCD輸出的是帶有暗電流噪聲和輸出放大器復位脈沖串擾的模擬信號，因此必須進行信號處理才能為后續電路使用[3]。本系統中，使用ADI公司生產的專用CCD信號處理芯片AD9826，該芯片集成16位ADC，速度可達15 MS/s。作為模數轉換芯片，其片內集成相關雙采樣（Correlated Double Sampler，CDS）等多種功能電路，提高了信號預處理的質量，簡化了電路的設計。
AD9826由VINR、VNG、VINB三路獨立采樣通道電路組成，每個采樣通道都由輸入箝位電路、相關雙采樣電路、偏移DAC和可編程增益放大器組成，并通過多路復用（MUX）接入一個16位模數轉換器，采樣輸出信號通過8位并行數據總線分時輸出16位數據。此處系統設計只取一路線陣CCD輸出，選擇VINR紅色通道作為信號輸入，采用單通道CDS和16 bit轉換模式。CCD輸出R信號經過隔直電容，將有效信號耦合輸入到AD9826中VINR通道采樣，其他兩個通道要做接地處理，以防止對VINR通道產生干擾，如圖3所示。
AD9826的工作模式可通過三線雙向串行接口（SCLK、SLOAD、SDTATA）配置內部寄存器來設定。串行時鐘SCLK最高頻率為10 MHz，系統采用5 MHz頻率，由主時鐘50 MHz分頻可得。CCD輸出信號幅值為0~4 V，不需要AD9826內部增益放大。
AD9826工作在單通道CDS工作模式下，CDS電路在每一像素周期內對輸入的CCD信號采樣兩次。CDSCLK1的下降沿采樣參考信號，CDSCLK2的下降沿采樣有效信號。CDS電路輸出的是兩次采樣值之差，消除了噪聲，此時信號即為有效視頻信號。
分析CCD輸出信號特點，FPGA內部產生AD9826的工作時序，確保對CCD輸出信號的正確采樣。CCD連續輸出2 700個有效像素單元信號之前，先輸出64個啞元信號，此處在CCD第64個復位脈沖上升沿到來后FPGA設置采樣使能信號cds_en有效。考慮到單通道CDS模式下，模數轉換的數據會延遲3個采樣時鐘周期輸出，在第2 768個復位脈沖上升沿后拉低采樣使能cds_en，這樣才能采集到完整的2 700個CCD像素信號。由于TCD2252D輸出像元頻率為1 MHz，AD9826的相關雙采樣時鐘CDSCLK1、CDSCLK2和采樣時鐘ADCLK都設置為1 MHz。
1.4 數據緩存模塊
數據緩存模塊的功能是保證數據采集與傳輸的連續性。由于USB接口芯片的傳輸速率和A/D轉換后的數據速率不同步，需要在兩者之間增加一個數據緩存單元。目前常用的數據緩存器件有SRAM、雙口RAM、FIFO等。高速數據采集系統中，常使用異步FIFO進行數據緩存，但只能對FIFO順序地讀/寫數據。當需要存取特定單元的數據而非全部存儲空間時，系統的靈活性大大降低。因此本設計采用雙口RAM進行數據緩存，較好地解決了時鐘不匹配的問題。
為了有效利用FPGA片內資源，簡化電路設計，本文在FPGA內部定制雙口RAM來緩存模數轉換后的數字信號。EP4CE6E22C8內部集成了30個M4K RAM塊，足夠CCD輸出一幀圖像數據（2 700×16 bit）的緩存。此處在FPGA內部配置深度為4 096、位寬為16 bit的雙口RAM。寫時鐘和AD9826的采樣時鐘ADCLK一致，寫地址計數到2 699時，開始讀RAM。讀時鐘與寫USB端點FIFO的時鐘IFCLK一致，保證數據傳輸的完整性和穩定性。
1.5 USB接口模塊
USB接口模塊的功能是將FPGA內部緩存的圖像數據讀出來，傳輸給上位機。USB電路設計的主要對象是USB接口控制芯片。目前，市場上多家半導體廠商提供USB接口控制芯片。本系統采用Cypress公司的EZ-USB FX2系列USB接口控制芯片CY7C68013來傳輸圖像數據。CY7C68013是一款具有USB2.0協議的微控制處理器，最高傳輸速率可達480 Mb/s，其片內集成USB2.0收發器、增強型的8051控制器、智能串行接口引擎（SIE）、4 KB的FIFO存儲器和可編程I/O接口。
由于FX2芯片集成度高，用戶在不熟悉復雜的USB底層協議的情況下也可以順利開發USB接口設備。FX2有Slave FIFO和GPIF兩種接口方式。此處采用Slave FIFO接口方式進行數據通信。在該模式下，FPGA作為主機，與USB通信傳輸數據不經過CPU的控制，而是經過芯片內部端點FIFO來傳輸，傳輸速度和CPU使用率更高。CY7C68013與FPGA的接口電路如圖4所示，CY7C68013的并行數據引腳和控制狀態引腳直接與FPGA接口相連即可。
USB接口設計主要是設計FPGA對USB接口芯片的邏輯控制[4]。FX2工作于Slave FIFO模式時，FPGA可以像對普通FIFO一樣對FX2中端點的數據緩沖區進行讀寫。FPGA提供給芯片普通的時序信號、握手信號、讀寫信號和輸出允許信號。本系統FX2工作于同步寫方式，接口時鐘由FPGA提供。當SLWR有效時，FD總線上的數據在每個時鐘信號IFCLK上升沿時被寫入FIFO。
FPGA程序中采用狀態機實現同步寫Slave FIFO方式，狀態描述如下：（1）IDLE：總線空閑，當雙口RAM中存儲的數據達到設定深度時，寫事件發生，轉到狀態state1；（2）state1：指向IN FIFO端口，激活FIFOADR[1：0]，選擇端點6，然后轉向狀態state2；（3）state2：判斷FIFO“滿”標志FLAGB的狀態，如果為假，即FIFO不滿，則轉向狀態state3，否則停留在該狀態；（4）state3：寫數據到總線上，激活SLWR，寫數據到FIFO并增加FIFO指針，然后轉向狀態state4；（5）state4：檢測是否有更多的數據要寫，如果有則轉向狀態state2，否則轉向狀態IDLE。
1.6 上位機模塊
上位機用來檢測USB設備的連接狀態，顯示采集到的CCD數據。上位機采集有兩個采集模式：實時采集模式連續地接收來自CCD的圖像數據并顯示；單幀采集模式單次接收來自CCD的圖像數據并顯示。保存數據將當前顯示的一幀像素數據保存在安裝目錄下。
正常情況下，系統的USB設計包括三個方面的程序設計：固件程序設計、設備驅動程序設計和上位機應用程序設計[5]。Cypress公司為開發者提供了完善的軟件開發工具包，開發者只需在官方例程固件框架上修改TD_Init函數即可變為自己的固件，至于USB驅動程序可以使用工具包自帶的通用驅動程序，只需將驅動引導文件中對應的VID和PID修改成與固件一致即可。上位機程序在VS2008環境下開發，用戶可以使用CYIOCTL控制函數類和CyAPI控制函數類來實現對USB設備讀取數據。
2 實驗分析
在室光條件下，系統以線陣CCD作為圖像傳感器，采集外界圖像信息。當雙口RAM中一幀數據存儲完信號和讀使能信號有效時，USB接口芯片開始傳輸CCD圖像數據，送給上位機顯示。圖5為線陣CCD傳感器部分遮光時采集到的一幀圖像，圖中低電平為CCD被遮部分的光強分布。由采集到的數據和上位機顯示可以看出采集系統能夠實現CCD數據的實時采集。
3 結論
本文設計了基于FPGA的線陣CCD實時采集系統，以線陣CCD作為圖像傳感器，使用CCD專用信號處理芯片AD9826對CCD信號去噪并實現高速A/D轉換，同時用USB接口芯片完成CCD數據的傳輸，最后在上位機上顯示采集的圖像數據。系統采用集成了相關雙采樣、可編程增益放大器的專用CCD處理芯片，而不是像以往那樣采用分立元件搭建模擬處理電路，并且充分利用FPGA內部RAM作數據緩存，簡化了電路設計，減小了功耗，增加了系統的靈活性。系統擴展性較強，適用于機器視覺、非接觸測量等領域。
參考文獻
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[3] 黃濤，廖勝，韓維強.基于AD9978A雙通道的CCD相機設計[J].電子技術應用，2013，39（3）：57-60.
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[5] 薛圓圓，趙建領.USB應用開發寶典[M].北京：人民郵電出版社，2011.