隨著圖像采集系統的廣泛應用，人們對CCd探測系統的要求日益提高。傳統的CCd探測系統由于結構復雜，造價較高，已不能滿足日益廣泛的應用需要。本文設計了一套基于單片FPGA的小型化與經濟化的CCd探測系統，能夠滿足空間光強的測量并實現光信號的識別和處理。本文研究了CCd探測系統的基本結構。設計了基于單片FPGA的CCd探測系統的硬件電路原理圖，完成了硬件電路板制作與調試。系統FPGA選用Altera公司的低成本FPGA芯片EP2C20Q240，電路板采用雙層板設計，實現了CCd探測系統的小型化與經濟化的目標。利用FPGA器件實現了CCd驅動時序脈沖的設計、實現了單采樣與相關雙采樣的控制程序設計，利用FPGA的數字信號處理功能實現了相關雙采樣的信號處理。基于FPGA的可編程特性，在不改變外部電路的基礎上，通過程序的改變，對CCd驅動頻率、模數轉換器采樣時刻的選擇進行方便調節。系統與上位機的數據傳輸接口采用了網絡傳輸方案，充分發揮了網絡傳輸的遠距離傳輸、遠程訪問、信息共享等優勢，系統采用基于FPGA的Nios IⅡ嵌入式處理器系統，通過對其應用軟件的開發，實現了系統與上位機之間數據的可靠性傳輸。
上傳時間： 2022-06-23
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CCd常用知識總結隨著CCd的不斷發展，尤其典型的是當微光CCd向低照度方向發展時，噪聲已經成為阻礙CCd進一步發展的障礙。噪聲是CCd的一個重要參數，它是決定信噪比S/N（Singal/Noise）的重要因素，而同時信噪比又是各種數據參數中最重要的指標之一。隨著CCd器件向小型化、集成化的不斷發展，CCd光敏元數的增加勢必減小光敏元的面積，從而降低了CCd的輸出飽和信號。為擴大CCd的動態范圍，就必須降低CCd的噪聲（動態范圍與噪聲間的聯系）。CCd工作時，在輸入結構、輸出結構、信號電荷存儲和轉移過程中都會產生噪聲。噪聲疊加在信號電荷上，形成對信號的干擾，降低了信號電荷包所代表的信息復原后的精度，并且限制了信號電荷包的最小值。CCd圖像傳感器的輸出信號是空間采樣的離散模擬信號，其中夾雜著各種噪聲和干擾。CCd輸出信號處理的目的是在不損失圖像細節并保證在CCd動態范圍內，圖像信號隨目標亮度線形變化是盡可能消除這些噪聲和干擾。（選自《CCd降噪技術的研究》燕山大學工學碩士學位論文）
標簽： CCd
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1引言隨著CCd技術的飛速發展，傳統的時序發生器實現方法如單片機D口驅動法，EPROM動法，直接數字驅動法等，存在著調試困難、靈活性較差、驅動時鐘頻率低等缺點，已不能很好地滿足CCd應用向高速化，小型化，智能化發展的需要。而可編程邏輯器件CPLD具有了集成度高、速度快、可靠性好及硬件電路易于編程實現等特點，可滿足這些需要，而且其與VHDL語言的結合可以更好地解決上述問題，非常適合CCd驅動電路的設計。再加上可編程邏輯器件可以通過軟件編程對其硬件的結構和工作方式進行重構，從而使得硬件的設計可以如同軟件設計那樣方便快捷，本文以東芝公司TCD1702C為例，闡述了利用CPLD技術，在分析其驅動時序關系的基礎上，使用VHDL語言實現了CCd驅動的原理和方法。2線陣的工作原理及驅動時序分析TCD1702C為THOSHBA公司生產的一種有效像元數為7500的雙溝道二相線陣CCd，其像敏單元尺寸為7um×7um×7um長寬高。中心距亦為7um.最佳工作頻率IMHzTCD1702C的原理結構如圖1所示。它包括：由存儲電極光敏區和電荷轉移電極轉移柵組成的攝像機構，兩個CCd移位寄存器，輸出機構和補償機構四個部分，如圖1所示，
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CCd（電荷耦合器件）的基本功能是將光學圖像信號轉變成一維以時間為變量的電壓信號，廣泛的應用于元件尺寸測量以及位置檢測系統中。本課題背景是利用CCd檢測帶材邊緣的位置信息，為后續的控制系統提供數據。在帶鋼軋制現場，光照強度浮動因數很多：例如，光源受污染；給光源供電的電壓波動等都會造成光照條件的改變，影響測量的準確性，不利于提高系統的信噪比l。為了提高系統的測量精度和抗干擾性，需要實時改變CCd的光積分時間以補償現場環境的影響。本文以TCD1501D型CCd芯片為例，分析了芯片的工作過程和驅動芯片的各個信號的要求，闡述了CCd驅動電路自適應的實現，最后給出了系統仿真結果。1TCD1501D型CCd的工作原理和驅動時序的產生1.1TCD1501D芯片的介紹TCDI501D4是一種高靈敏度、低暗電流、5000像元且內置采樣保持電路的線陣CCd圖像傳感器。
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本文提出了一種基于CCd的微型光譜儀的系統設計方案。該方案選用CCd為光譜測量的探測器，光學系統采用折疊Czerny-Turner結構設計，大大減少了光學系統的體積；在探測系統方面，以現場可編程邏輯門陣列（FPGA）EPW7032設計了CCd驅動和信號采集系統。在FPGA上采用了片上可編程（SOPC）技術，集成了NiosII軟核UART、CPU等功能模塊，整個系統只用一片FPCA資源開發了CCd驅動電路、A/D采樣控制電路、USB驅動電路等模塊，使整個光譜儀系統的實現了單芯片控制。完成了基于USB的微型光譜儀和PC機的通訊，并使用Labview開發了光譜采集和處理軟件，實現對光譜儀的光譜數據處理、光譜譜線繪制、波長定標相關功能。最后，對本文的系統進行了相關實驗，實驗表明：按照該方案設計的微型光譜儀能同時對多個波長進行測量，整個光譜儀的體積重量達到了設計所要求的微型化、小型化。為了使CCd探測系統能檢測到較寬的光譜范圍，選擇3694個像素的線陣CCd作為探測器件。采用CD專用A/D轉換芯片M始X1101對CCd輸出信號進行相關及模數轉換處理，轉換后的數字信號暫時儲存在FPGA中，經處理后通過USB總線傳送到上位機，由應用軟件完成光譜數據進一步的分析、處理和顯示。FPGA作為整個系統的核心，完成了CCd驅動時序、MAX1101采樣時序和FT245BM（USB）芯片脈沖控制時序。
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CCd（ Charge Coupled Device ）全稱為電荷耦合器件，是70 年代發展起來的新型半導體器件。它是在MOS集成電路技術基礎上發展起來的，為半導體技術應用開拓了新的領域。它具有光電轉換、信息存貯和傳輸等功能，具有集成度高、功耗小、結構簡單、壽命長、性能穩定等優點，故在固體圖像傳感器、信息存貯和處理等方面得到了廣泛的應用。CCd圖像傳感器能實現信息的獲取、轉換和視覺功能的擴展，能給出直觀、真實、多層次的內容豐富的可視圖像信息，被廣泛應用于軍事、天文、醫療、廣播、電視、傳真通信以及工業檢測和自動控制系統。實驗室用的數碼相機、光學多道分析器等儀器，都用了CCd作圖象探測元件。一個完整的CCd器件由光敏單元、轉移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCd工作時，在設定的積分時間內由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉換為各光敏單元的電荷多少。取樣結束后各光敏元電荷由轉移柵轉移到移位寄存器的相應單元中。移位寄存器在驅動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉移到輸出端。將輸出信號接到示波器、圖象顯示器或其它信號存儲、處理設備中，就可對信號再現或進行存儲處理。由于CCd光敏元可做得很小（約10um），所以它的圖象分辨率很高。
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CCd（電荷耦合器）攝像頭基本知識現在科學級的攝像頭比前幾年更尖端， 應用領域也更廣了。在生物科學領域，從顯微鏡、分光光度計到膠文件、化學放光探測系統， 都用到了CCd 的攝像頭。但是很多研究工作者對CCd 的指標仍云里霧里。下面對CCd 的一些常見指標進行表述。常見的CCd 一般指： CCd 攝像頭和插在電腦的采集卡區別數字攝像頭與模擬攝像頭所有CCd 芯片都屬于模擬的設備。當圖像進入計算機是數字的。如果信號在攝像頭、采集卡兩部分完成數字化的，這個CCd 被認為是模擬CCd。數字攝像頭事實上是由內置于攝像頭的數字化設備完成數字化過程， 這樣可以減少圖像噪音。與模擬攝像頭相比， 數字攝像頭提高了攝像頭的信噪比、增加攝像頭的動態范圍、最大化圖像灰度范圍。科學級的絕大多數的CCd 芯片都是由Kodak、Sony、SIT 制造。評價CCd 的基本指標信噪比SNR 真實體現攝像頭的檢測能力。所有的CCd 攝像頭的廠家為提高攝像頭的性能， 都盡力使信號（可達到滿井電子的數目） 最大同時盡可能減少噪音。
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CCd（Charge Coupled Device）圖像傳感器（以下簡稱CCd）和CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor以下簡稱CIS）的主要區別是由感光單元及讀出電路結構不同而導致制造工藝的不同。CCd感光單元實現光電轉換后，以電荷的方式存貯并以電荷轉移的方式順序輸出，需要專用的工藝制程實現；CIS圖像感光單元為光電二極管，可在通用CMOS集成電路工藝制程中實現，除此之外還可將圖像處理電路集成，實現更高的集成度和更低的功耗。目前CCd幾乎被日系廠商壟斷，只有少數幾個廠商例如索尼、夏普、松下、富士、東芝等掌握這種技術。CIS是90年代興起的新技術，掌握該技術的公司較多，美國有OmniVision，Aptina；歐洲有ST；韓國的三星，SiliconFile，Hynix等；日本的SONY，東芝等；中國臺灣的晶像；大陸地區的比亞迪，格科微等公司。由于CCd技術出現早，相對成熟，前期占據了絕大部分的高端市場。早期CIS與CCd相比，僅功耗與成本優勢明顯，因此多用于手機，PCCamera等便攜產品。隨著CIS技術的不斷進步，性能不斷提升；而CCd技術提升空間有限，進步緩慢。目前CIS不僅占據幾乎全部的便攜設備市場，部分高端DSC（DigitalStil Camera）市場，更是向CCd傳統優勢市場——監控市場發起沖擊。下面就監控專用CIS與傳統CCd進行綜合對比。
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1引言電荷耦合器CCd具有尺寸小、精度高、功耗低、壽命長、測量精度高等優點，在圖像傳感和非接觸測量領域得到了廣泛應用。由于CCd芯片的轉換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時序驅動下才能達到器件工藝設計所要求的最佳值，以及穩定的輸出信號，因此驅動時序的設計是應用的關鍵問題之一。通用CCd驅動設計有4種實現方式：EPROM驅動法；IC驅動法；單片機驅動法以及可編程邏輯器件（PLD）驅動法。基于FPGA設計的驅動電路是可再編程的，與傳統的方法相比，其優點是集成度高、速度快、可靠性好。若要改變驅動電路的時序，增減某些功能，僅需要對器件重新編程即可，在不改變任何硬件的情況下，即可實現驅動電路的更新換代。2CD1501DCCd工作參數及時序分析
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CCd作為一種光電轉換器件，由于其具有精度高、分辨率好、性能穩定等特點，目前廣泛應用于圖像傳感和非接觸式測量領域。在CCd應用技術中，最關鍵的兩個問題是CCd驅動時序的產生和CCd輸出信號的處理。對于CCd輸出信號，可以根據CCd像素頻率和輸出信號幅值來選擇合適的片外或片內模數轉換器；而對于CCd驅動時序，則有幾類常用的產生方法。1常用的CCd驅動時序產生方法CCd廠家眾多，型號各異，其驅動時序的產生方法也多種多樣，一般有以下4種：0）數字電路驅動方法這種方法是利用數字門電路及時序電路直接構建驅動時序電路，其核心是一個時鐘發生器和幾路時鐘分頻器，各分頻器對同一時鐘進行分頻以產生所需的各路脈沖。該方法的特點是可以獲得穩定的高速驅動脈沖，但邏輯設計和調試比較復雜，所用集成芯片較多，無法在線調整驅動頻率。
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