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隨著圖像采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)ccD探測(cè)系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的ccD探測(cè)系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高，已不能滿(mǎn)足日益廣泛的應(yīng)用需要。本文設(shè)計(jì)了一套基于單片F(xiàn)PGA的小型化與經(jīng)濟(jì)化的ccD探測(cè)系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足空間光強(qiáng)的測(cè)量并實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的識(shí)別和處理。本文研究了ccD探測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了基于單片F(xiàn)PGA的ccD探測(cè)系統(tǒng)的硬件電路原理圖，完成了硬件電路板制作與調(diào)試。系統(tǒng)FPGA選用Altera公司的低成本FPGA芯片EP2C20Q240，電路板采用雙層板設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了ccD探測(cè)系統(tǒng)的小型化與經(jīng)濟(jì)化的目標(biāo)。利用FPGA器件實(shí)現(xiàn)了ccD驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了單采樣與相關(guān)雙采樣的控制程序設(shè)計(jì)，利用FPGA的數(shù)字信號(hào)處理功能實(shí)現(xiàn)了相關(guān)雙采樣的信號(hào)處理。基于FPGA的可編程特性，在不改變外部電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)程序的改變，對(duì)ccD驅(qū)動(dòng)頻率、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時(shí)刻的選擇進(jìn)行方便調(diào)節(jié)。系統(tǒng)與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸接口采用了網(wǎng)絡(luò)傳輸方案，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離傳輸、遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)、信息共享等優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)采用基于FPGA的Nios IⅡ嵌入式處理器系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)其應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。
上傳時(shí)間： 2022-06-23
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ccD常用知識(shí)總結(jié)隨著ccD的不斷發(fā)展，尤其典型的是當(dāng)微光ccD向低照度方向發(fā)展時(shí)，噪聲已經(jīng)成為阻礙ccD進(jìn)一步發(fā)展的障礙。噪聲是ccD的一個(gè)重要參數(shù)，它是決定信噪比S/N（Singal/Noise）的重要因素，而同時(shí)信噪比又是各種數(shù)據(jù)參數(shù)中最重要的指標(biāo)之一。隨著ccD器件向小型化、集成化的不斷發(fā)展，ccD光敏元數(shù)的增加勢(shì)必減小光敏元的面積，從而降低了ccD的輸出飽和信號(hào)。為擴(kuò)大ccD的動(dòng)態(tài)范圍，就必須降低ccD的噪聲（動(dòng)態(tài)范圍與噪聲間的聯(lián)系）。ccD工作時(shí)，在輸入結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)、信號(hào)電荷存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生噪聲。噪聲疊加在信號(hào)電荷上，形成對(duì)信號(hào)的干擾，降低了信號(hào)電荷包所代表的信息復(fù)原后的精度，并且限制了信號(hào)電荷包的最小值。ccD圖像傳感器的輸出信號(hào)是空間采樣的離散模擬信號(hào)，其中夾雜著各種噪聲和干擾。ccD輸出信號(hào)處理的目的是在不損失圖像細(xì)節(jié)并保證在ccD動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，圖像信號(hào)隨目標(biāo)亮度線(xiàn)形變化是盡可能消除這些噪聲和干擾。（選自《ccD降噪技術(shù)的研究》燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文）
標(biāo)簽： ccD
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1引言隨著ccD技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法如單片機(jī)D口驅(qū)動(dòng)法，EPROM動(dòng)法，直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)法等，存在著調(diào)試?yán)щy、靈活性較差、驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率低等缺點(diǎn)，已不能很好地滿(mǎn)足ccD應(yīng)用向高速化，小型化，智能化發(fā)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(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足這些需要，而且其與VHDL語(yǔ)言的結(jié)合可以更好地解決上述問(wèn)題，非常適合ccD驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。再加上可編程邏輯器件可以通過(guò)軟件編程對(duì)其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷，本文以東芝公司TCD1702C為例，闡述了利用CPLD技術(shù)，在分析其驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上，使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了ccD驅(qū)動(dòng)的原理和方法。2線(xiàn)陣的工作原理及驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析TCD1702C為T(mén)HOSHBA公司生產(chǎn)的一種有效像元數(shù)為7500的雙溝道二相線(xiàn)陣ccD，其像敏單元尺寸為7um×7um×7um長(zhǎng)寬高。中心距亦為7um.最佳工作頻率IMHzTCD1702C的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括：由存儲(chǔ)電極光敏區(qū)和電荷轉(zhuǎn)移電極轉(zhuǎn)移柵組成的攝像機(jī)構(gòu)，兩個(gè)ccD移位寄存器，輸出機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)四個(gè)部分，如圖1所示，
標(biāo)簽： cpld vhdl ccD 驅(qū)動(dòng)電路
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ccD（電荷耦合器件）的基本功能是將光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變成一維以時(shí)間為變量的電壓信號(hào)，廣泛的應(yīng)用于元件尺寸測(cè)量以及位置檢測(cè)系統(tǒng)中。本課題背景是利用ccD檢測(cè)帶材邊緣的位置信息，為后續(xù)的控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。在帶鋼軋制現(xiàn)場(chǎng)，光照強(qiáng)度浮動(dòng)因數(shù)很多：例如，光源受污染；給光源供電的電壓波動(dòng)等都會(huì)造成光照條件的改變，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，不利于提高系統(tǒng)的信噪比l。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度和抗干擾性，需要實(shí)時(shí)改變ccD的光積分時(shí)間以補(bǔ)償現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的影響。本文以TCD1501D型ccD芯片為例，分析了芯片的工作過(guò)程和驅(qū)動(dòng)芯片的各個(gè)信號(hào)的要求，闡述了ccD驅(qū)動(dòng)電路自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，最后給出了系統(tǒng)仿真結(jié)果。1TCD1501D型ccD的工作原理和驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)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(nèi)置采樣保持電路的線(xiàn)陣ccD圖像傳感器。
標(biāo)簽： cpld tcd1501d ccD 驅(qū)動(dòng)電路
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本文提出了一種基于ccD的微型光譜儀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案選用ccD為光譜測(cè)量的探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大減少了光學(xué)系統(tǒng)的體積；在探測(cè)系統(tǒng)方面，以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）EPW7032設(shè)計(jì)了ccD驅(qū)動(dòng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。在FPGA上采用了片上可編程（SOPC）技術(shù)，集成了NiosII軟核UART、CPU等功能模塊，整個(gè)系統(tǒng)只用一片F(xiàn)PCA資源開(kāi)發(fā)了ccD驅(qū)動(dòng)電路、A/D采樣控制電路、USB驅(qū)動(dòng)電路等模塊，使整個(gè)光譜儀系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)了單芯片控制。完成了基于USB的微型光譜儀和PC機(jī)的通訊，并使用Labview開(kāi)發(fā)了光譜采集和處理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜儀的光譜數(shù)據(jù)處理、光譜譜線(xiàn)繪制、波長(zhǎng)定標(biāo)相關(guān)功能。最后，對(duì)本文的系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明：按照該方案設(shè)計(jì)的微型光譜儀能同時(shí)對(duì)多個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，整個(gè)光譜儀的體積重量達(dá)到了設(shè)計(jì)所要求的微型化、小型化。為了使ccD探測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)到較寬的光譜范圍，選擇3694個(gè)像素的線(xiàn)陣ccD作為探測(cè)器件。采用CD專(zhuān)用A/D轉(zhuǎn)換芯片M始X1101對(duì)ccD輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)暫時(shí)儲(chǔ)存在FPGA中，經(jīng)處理后通過(guò)USB總線(xiàn)傳送到上位機(jī)，由應(yīng)用軟件完成光譜數(shù)據(jù)進(jìn)一步的分析、處理和顯示。FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，完成了ccD驅(qū)動(dòng)時(shí)序、MAX1101采樣時(shí)序和FT245BM（USB）芯片脈沖控制時(shí)序。
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ccD（ Charge Coupled Device ）全稱(chēng)為電荷耦合器件，是70 年代發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體器件。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開(kāi)拓了新的領(lǐng)域。它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀摺⒐男 ⒔Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)用。ccD圖像傳感器能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺(jué)功能的擴(kuò)展，能給出直觀(guān)、真實(shí)、多層次的內(nèi)容豐富的可視圖像信息，被廣泛應(yīng)用于軍事、天文、醫(yī)療、廣播、電視、傳真通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)室用的數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)多道分析器等儀器，都用了ccD作圖象探測(cè)元件。一個(gè)完整的ccD器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。ccD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)由光敏單元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少。取樣結(jié)束后各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。將輸出信號(hào)接到示波器、圖象顯示器或其它信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，就可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)在科學(xué)級(jí)的攝像頭比前幾年更尖端， 應(yīng)用領(lǐng)域也更廣了。在生物科學(xué)領(lǐng)域，從顯微鏡、分光光度計(jì)到膠文件、化學(xué)放光探測(cè)系統(tǒng)， 都用到了ccD 的攝像頭。但是很多研究工作者對(duì)ccD 的指標(biāo)仍云里霧里。下面對(duì)ccD 的一些常見(jiàn)指標(biāo)進(jìn)行表述。常見(jiàn)的ccD 一般指： ccD 攝像頭和插在電腦的采集卡區(qū)別數(shù)字?jǐn)z像頭與模擬攝像頭所有ccD 芯片都屬于模擬的設(shè)備。當(dāng)圖像進(jìn)入計(jì)算機(jī)是數(shù)字的。如果信號(hào)在攝像頭、采集卡兩部分完成數(shù)字化的，這個(gè)ccD 被認(rèn)為是模擬ccD。數(shù)字?jǐn)z像頭事實(shí)上是由內(nèi)置于攝像頭的數(shù)字化設(shè)備完成數(shù)字化過(guò)程， 這樣可以減少圖像噪音。與模擬攝像頭相比， 數(shù)字?jǐn)z像頭提高了攝像頭的信噪比、增加攝像頭的動(dòng)態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍。科學(xué)級(jí)的絕大多數(shù)的ccD 芯片都是由Kodak、Sony、SIT 制造。評(píng)價(jià)ccD 的基本指標(biāo)信噪比SNR 真實(shí)體現(xiàn)攝像頭的檢測(cè)能力。所有的ccD 攝像頭的廠(chǎng)家為提高攝像頭的性能， 都盡力使信號(hào)（可達(dá)到滿(mǎn)井電子的數(shù)目） 最大同時(shí)盡可能減少噪音。
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ccD（Charge Coupled Device）圖像傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ccD）和CMOS圖像傳感器（CMOS Image Sensor以下簡(jiǎn)稱(chēng)CIS）的主要區(qū)別是由感光單元及讀出電路結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致制造工藝的不同。ccD感光單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后，以電荷的方式存貯并以電荷轉(zhuǎn)移的方式順序輸出，需要專(zhuān)用的工藝制程實(shí)現(xiàn)；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(shí)現(xiàn)，除此之外還可將圖像處理電路集成，實(shí)現(xiàn)更高的集成度和更低的功耗。目前ccD幾乎被日系廠(chǎng)商壟斷，只有少數(shù)幾個(gè)廠(chǎng)商例如索尼、夏普、松下、富士、東芝等掌握這種技術(shù)。CIS是90年代興起的新技術(shù)，掌握該技術(shù)的公司較多，美國(guó)有OmniVision，Aptina；歐洲有ST；韓國(guó)的三星，SiliconFile，Hynix等；日本的SONY，東芝等；中國(guó)臺(tái)灣的晶像；大陸地區(qū)的比亞迪，格科微等公司。由于ccD技術(shù)出現(xiàn)早，相對(duì)成熟，前期占據(jù)了絕大部分的高端市場(chǎng)。早期CIS與ccD相比，僅功耗與成本優(yōu)勢(shì)明顯，因此多用于手機(jī)，PCCamera等便攜產(chǎn)品。隨著CIS技術(shù)的不斷進(jìn)步，性能不斷提升；而ccD技術(shù)提升空間有限，進(jìn)步緩慢。目前CIS不僅占據(jù)幾乎全部的便攜設(shè)備市場(chǎng)，部分高端DSC（DigitalStil Camera）市場(chǎng)，更是向ccD傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)市場(chǎng)——監(jiān)控市場(chǎng)發(fā)起沖擊。下面就監(jiān)控專(zhuān)用CIS與傳統(tǒng)ccD進(jìn)行綜合對(duì)比。
上傳時(shí)間： 2022-06-23
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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(zhǎng)、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)，在圖像傳感和非接觸測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于ccD芯片的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時(shí)序驅(qū)動(dòng)下才能達(dá)到器件工藝設(shè)計(jì)所要求的最佳值，以及穩(wěn)定的輸出信號(hào)，因此驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)是應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題之一。通用ccD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)有4種實(shí)現(xiàn)方式：EPROM驅(qū)動(dòng)法；IC驅(qū)動(dòng)法；單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法以及可編程邏輯器件（PLD）驅(qū)動(dòng)法。基于FPGA設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是可再編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是集成度高、速度快、可靠性好。若要改變驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序，增減某些功能，僅需要對(duì)器件重新編程即可，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的更新?lián)Q代。2CD1501DccD工作參數(shù)及時(shí)序分析
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ccD作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，由于其具有精度高、分辨率好、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸式測(cè)量領(lǐng)域。在ccD應(yīng)用技術(shù)中，最關(guān)鍵的兩個(gè)問(wèn)題是ccD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和ccD輸出信號(hào)的處理。對(duì)于ccD輸出信號(hào)，可以根據(jù)ccD像素頻率和輸出信號(hào)幅值來(lái)選擇合適的片外或片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器；而對(duì)于ccD驅(qū)動(dòng)時(shí)序，則有幾類(lèi)常用的產(chǎn)生方法。1常用的ccD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法ccD廠(chǎng)家眾多，型號(hào)各異，其驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生方法也多種多樣，一般有以下4種：0）數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)方法這種方法是利用數(shù)字門(mén)電路及時(shí)序電路直接構(gòu)建驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路，其核心是一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器和幾路時(shí)鐘分頻器，各分頻器對(duì)同一時(shí)鐘進(jìn)行分頻以產(chǎn)生所需的各路脈沖。該方法的特點(diǎn)是可以獲得穩(wěn)定的高速驅(qū)動(dòng)脈沖，但邏輯設(shè)計(jì)和調(diào)試比較復(fù)雜，所用集成芯片較多，無(wú)法在線(xiàn)調(diào)整驅(qū)動(dòng)頻率。
標(biāo)簽： 單片機(jī) ccD 驅(qū)動(dòng)電路
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