線陣CCD低噪測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1、線陣CCD低噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)論文線陣CCD低噪聲測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)張俊汪濤（重慶大學(xué)物理學(xué)院，中國(guó) 重慶401331 ）【摘 要】介紹了線陣CCD低噪聲測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并從硬件和軟件兩個(gè) 方面處理系統(tǒng)噪聲。CCD輸出的模擬信號(hào)傳輸至 AD中，經(jīng)過(guò)相關(guān)雙采樣處理 降低復(fù)位噪聲。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳輸至FPGA 中,經(jīng)低通濾波器進(jìn)一步去噪后， 通過(guò)FPGA內(nèi)部緩存器上傳至上位機(jī)中。利用FPGA實(shí)現(xiàn)了 CCD和AD的驅(qū)動(dòng), 并結(jié)合Matlab軟件設(shè)計(jì)低通濾波器。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，精度較高。關(guān)鍵詞線陣CCD ； FPGA;相關(guān)雙采樣；低通濾波作者簡(jiǎn)介：張?。?985 ），男，陜西西安人，重慶大學(xué)碩

2、士研究生，主要 研究方向?yàn)镕PGA嵌入式開(kāi)發(fā)。0引言CCD（Charge-coupled Device ，電荷耦合元件）圖像傳感器體積小、重量輕、 功耗小、壽命長(zhǎng)，同時(shí)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、自掃描和光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，包括航空航天、傳媒攝像、工業(yè)生產(chǎn)等。隨著光電子技 術(shù)的不斷發(fā)展，測(cè)量系統(tǒng)快速采樣、存儲(chǔ)、處理和傳輸是系統(tǒng)新的發(fā)展方向。由 于線陣CCD實(shí)時(shí)控制較為容易，而且價(jià)格便宜，所以廣泛應(yīng)用于非接觸的尺寸 測(cè)量、質(zhì)量檢驗(yàn)、自動(dòng)化及機(jī)器人視覺(jué)精確定位等等 1。1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)由光源、光學(xué)鏡頭、被測(cè)物、線陣 CCD、數(shù)據(jù)采集與傳輸單元和數(shù)據(jù) 顯示單元構(gòu)成。當(dāng)光源的光

3、通過(guò)光學(xué)鏡頭照射在被測(cè)物體上，被測(cè)物體的相關(guān)信 息被線陣CCD記錄下來(lái)，由后續(xù)的數(shù)據(jù)采集單元將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)， 再將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，最后傳輸顯示在上位機(jī)上。本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集與傳輸單元，具體設(shè)計(jì)如圖1所示。線陣CCD將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)輸出，再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為12位并行數(shù)字信號(hào)。用Matlab軟件設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，并結(jié)合FPGA將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波 處理。濾波后的數(shù)字信號(hào)送入FPGA內(nèi)嵌的存儲(chǔ)器中進(jìn)行緩存，再通過(guò)并口轉(zhuǎn)串2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)2.1圖像采集模塊本系統(tǒng)選用的圖像傳感器為東芝公司的 TCD1209D，這是一款兩相的CCD， 主要用于傳真、圖像掃描和 OCR（Op

4、tical Character Recog nition 光學(xué)字符識(shí) 別）技術(shù)2。這款CCD靈敏度較高、暗信號(hào)電壓較小、動(dòng)態(tài)范圍較大，非常適 合用于尺寸測(cè)量。共有2048個(gè)有效像元，像元尺寸為14阿X 14叩，相鄰兩 個(gè)光敏單元的中心距為14叩。該CCD工作需要6路驅(qū)動(dòng)脈沖，由FPGA產(chǎn)生, 包括移位脈沖1、2，信號(hào)輸出脈沖2B，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS和箝 位脈沖CP。2.2模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊CCD輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，在將信號(hào)輸入到微處理器前，要將信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為 AD公司生產(chǎn)的AD9945，該芯片最高采 樣頻率為40MHz ,而本系統(tǒng)CCD信號(hào)頻率為1MHz，完

5、全能滿足設(shè)計(jì)需要。 其信號(hào)鏈主要由相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample)，數(shù)控可變?cè)鲆娣糯?器(Variable Gain Amplifier )和 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器組成。為了降低CCD信號(hào)中的復(fù)位噪聲，模擬信號(hào)先經(jīng)過(guò)CDS處理3。在復(fù)位電 平SHP和像元信號(hào)電平SHD的上升沿，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，并將得到的兩個(gè) 信號(hào)相減，從而降低復(fù)位噪聲。接著通過(guò)一個(gè)VGA增益放大器來(lái)調(diào)節(jié)信號(hào)的大小，可以通過(guò)一個(gè)10位的串行數(shù)字接口編程來(lái)設(shè)置增益的大小。最后CCD信號(hào)經(jīng)過(guò)12位的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號(hào)，并且延遲了10個(gè)像素的時(shí)鐘。2.3FPGA 模塊本系統(tǒng)使用的FPG

6、A芯片為Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8， 通過(guò)設(shè)計(jì)產(chǎn)生CCD和AD的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并結(jié)合 Matlab軟件對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行低 通濾波處理，處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)緩存和傳輸，顯示在上位機(jī)上。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，軟件程序主要包括三個(gè)功能模塊：時(shí)序功能模塊、濾 波功能模塊和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。3.1時(shí)序功能模塊為了使CCD正常工作，必須設(shè)計(jì)出符合 CCD正常工作的時(shí)序脈沖。將兩相時(shí)鐘頻率1、2設(shè)為1MHz，則RS和CP的頻率也為1MHz 。AD9945需包含三個(gè)方面的時(shí)序設(shè)計(jì)：（1）串行數(shù)字接口 SDATA、SCK和SL,對(duì)內(nèi)部寄存器 進(jìn)行配置；（2）相關(guān)雙采樣信號(hào)S

7、HP、SHD，以及數(shù)據(jù)像素同步時(shí)鐘DATACLK；（3）光學(xué)暗電平鉗制脈沖，減少暗電平噪聲。3.2 濾波功能模塊本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了低通濾波器對(duì)數(shù)字信號(hào)濾波，是結(jié)合Matlab和FPGA實(shí)現(xiàn)的4。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的濾波器為有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾 波器，使用窗函數(shù)設(shè)計(jì)方法。CCD輸出信號(hào)頻率為1MHz，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字 信號(hào)頻率仍為1MHz，所以我們將低通濾波器的截止頻率設(shè)為 1.2MHz，采樣頻 率設(shè)為5MHz。通過(guò)Matlab設(shè)計(jì)了一個(gè)32階的低通濾波器，系數(shù)的量化位數(shù) 為12比特。量化后得到的濾波器系數(shù)為：FF8、001、00D、000、FE3、FFB、0

8、3B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8, 系數(shù)呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)性。通過(guò)Matlab軟件得到濾波器系數(shù)后，利用 FPGA對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。本系統(tǒng) 使用FIR濾波器直線型結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個(gè)乘累加運(yùn)算，且乘累加運(yùn)算的次數(shù)由濾 波器階數(shù)決定。同時(shí)累加運(yùn)算由串行結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即每級(jí)延時(shí)單元與相應(yīng)系數(shù)的 乘積結(jié)果進(jìn)行累加后輸出，因此整個(gè)濾波器實(shí)際上只需要一個(gè)乘法器運(yùn)算單元。 由于FIR濾波器系數(shù)具有對(duì)稱(chēng)性，所以進(jìn)行對(duì)稱(chēng)系數(shù)的加法運(yùn)算也由一個(gè)加法器 串行實(shí)

9、現(xiàn)i. .1 1 . ._L_L一W W44KtKtX#X#MirMir -3.3數(shù)據(jù)傳輸功能模塊經(jīng)過(guò)濾波后的數(shù)字信號(hào)先經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)器進(jìn)行緩存，我們?cè)O(shè)計(jì)一個(gè)FPGA內(nèi)嵌的 異步FIFO對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存處理。由于 CCD的信號(hào)頻率為1MHz，所以寫(xiě)時(shí)鐘 頻率設(shè)為1MHz。將串口傳輸速率設(shè)為9600bps，則FIFO讀時(shí)鐘頻率應(yīng)大于 9600/12HZ，將讀時(shí)鐘頻率設(shè)為 0.8MHz。同時(shí)設(shè)置空、滿標(biāo)志信號(hào)來(lái)判斷何時(shí)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入和讀出FIFONlUAiflNlUAifl ACCOMACCOM譽(yù)濯遙前辰的顒謂圖2 2 M M則abab仿K8DK8D犒號(hào)盪蘆馬石的頻諧圖MLW W喝忡値:d d少代傅吋g強(qiáng)巧弼

10、好芥- 圖3 3取躍活鴕光強(qiáng)分布圏從FIFO中傳輸出來(lái)的12位并行數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，才能通過(guò)串口上 傳至上位機(jī)中。需要在FPGA內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)移位寄存器，并行數(shù)據(jù)傳輸至移位寄 存器后，在通過(guò)數(shù)據(jù)緩沖寄存器輸出。4系統(tǒng)測(cè)試與分析搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。將被測(cè)物選為雙縫，其衍射條紋投射在線陣CCD上，通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸，傳輸至上位機(jī)中。我們將未加低通濾波器 時(shí)采集到的數(shù)據(jù)保存為txt格式，并用Matlab進(jìn)行仿真，圖2所示為CCD信 號(hào)濾波前后的頻譜圖，從圖中我們可以看出，原信號(hào)中頻率成分大于1.2MHz的信號(hào)被濾除，仿真證明濾波效果較好。圖 3中顯示了實(shí)驗(yàn)中得到的CCD時(shí)域 信號(hào)，通過(guò)對(duì)比我們可以看出經(jīng)過(guò)濾波后的條紋更加平滑，毛刺也相應(yīng)減少了。5 結(jié)論本文設(shè)計(jì)的低噪聲測(cè)量系統(tǒng)是基于 FPGA技術(shù)的，由于FPGA具有運(yùn)算速度 快、配置靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的運(yùn)算速度和集成度。本文從硬件和軟件 兩方面對(duì)CCD噪聲進(jìn)行了處理，提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。該測(cè)量方法可以推廣 到具有更高工作頻率的CCD測(cè)量系統(tǒng)中，例如無(wú)接觸位移測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量等領(lǐng) 域。參考文獻(xiàn)1王鑫，陳驥，曹久大，等線陣CCD高速數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)J.光電子激光2