隨著圖像采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對ccd探測系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的ccd探測系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價較高，已不能滿足日益廣泛的應(yīng)用需要。本文設(shè)計了一套基于單片F(xiàn)PGA的小型化與經(jīng)濟(jì)化的ccd探測系統(tǒng)，能夠滿足空間光強(qiáng)的測量并實現(xiàn)光信號的識別和處理。本文研究了ccd探測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計了基于單片F(xiàn)PGA的ccd探測系統(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，實現(xiàn)了ccd探測系統(tǒng)的小型化與經(jīng)濟(jì)化的目標(biāo)。利用FPGA器件實現(xiàn)了ccd驅(qū)動時序脈沖的設(shè)計、實現(xiàn)了單采樣與相關(guān)雙采樣的控制程序設(shè)計，利用FPGA的數(shù)字信號處理功能實現(xiàn)了相關(guān)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(chǔ)上，通過程序的改變，對ccd驅(qū)動頻率、模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣時刻的選擇進(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)程訪問、信息共享等優(yōu)勢，系統(tǒng)采用基于FPGA的Nios IⅡ嵌入式處理器系統(tǒng)，通過對其應(yīng)用軟件的開發(fā)，實現(xiàn)了系統(tǒng)與上位機(jī)之間數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。
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ccd常用知識總結(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，噪聲已經(jīng)成為阻礙ccd進(jìn)一步發(fā)展的障礙。噪聲是ccd的一個重要參數(shù)，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(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)的增加勢必減小光敏元的面積，從而降低了ccd的輸出飽和信號。為擴(kuò)大ccd的動態(tài)范圍，就必須降低ccd的噪聲（動態(tài)范圍與噪聲間的聯(lián)系）。ccd工作時，在輸入結(jié)構(gòu)、輸出結(jié)構(gòu)、信號電荷存儲和轉(zhuǎn)移過程中都會產(chǎn)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(fù)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(xì)節(jié)并保證在ccd動態(tài)范圍內(nèi)，圖像信號隨目標(biāo)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(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)的時序發(fā)生器實現(xiàn)方法如單片機(jī)D口驅(qū)動法，EPROM動法，直接數(shù)字驅(qū)動法等，存在著調(diào)試?yán)щy、靈活性較差、驅(qū)動時鐘頻率低等缺點，已不能很好地滿足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現(xiàn)等特點，可滿足這些需要，而且其與VHDL語言的結(jié)合可以更好地解決上述問題，非常適合ccd驅(qū)動電路的設(shè)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(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計可以如同軟件設(shè)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(shù)，在分析其驅(qū)動時序關(guān)系的基礎(chǔ)上，使用VHDL語言實現(xiàn)了ccd驅(qū)動的原理和方法。2線陣的工作原理及驅(qū)動時序分析TCD1702C為THOSHBA公司生產(chǎn)的一種有效像元數(shù)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(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括：由存儲電極光敏區(qū)和電荷轉(zhuǎn)移電極轉(zhuǎn)移柵組成的攝像機(jī)構(gòu)，兩個ccd移位寄存器，輸出機(jī)構(gòu)和補(bǔ)償機(jī)構(gòu)四個部分，如圖1所示，
標(biāo)簽： cpld vhdl ccd 驅(qū)動電路
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ccd（電荷耦合器件）的基本功能是將光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為變量的電壓信號，廣泛的應(yīng)用于元件尺寸測量以及位置檢測系統(tǒng)中。本課題背景是利用ccd檢測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，光照強(qiáng)度浮動因數(shù)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(zhǔn)確性，不利于提高系統(tǒng)的信噪比l。為了提高系統(tǒng)的測量精度和抗干擾性，需要實時改變ccd的光積分時間以補(bǔ)償現(xiàn)場環(huán)境的影響。本文以TCD1501D型ccd芯片為例，分析了芯片的工作過程和驅(qū)動芯片的各個信號的要求，闡述了ccd驅(qū)動電路自適應(yīng)的實現(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)動時序的產(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陣ccd圖像傳感器。
標(biāo)簽： cpld tcd1501d ccd 驅(qū)動電路
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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)計方案。該方案選用ccd為光譜測量的探測器，光學(xué)系統(tǒng)采用折疊Czerny-Turner結(jié)構(gòu)設(shè)計，大大減少了光學(xué)系統(tǒng)的體積；在探測系統(tǒng)方面，以現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA）EPW7032設(shè)計了ccd驅(qū)動和信號采集系統(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，整個系統(tǒng)只用一片F(xiàn)PCA資源開發(fā)了ccd驅(qū)動電路、A/D采樣控制電路、USB驅(qū)動電路等模塊，使整個光譜儀系統(tǒng)的實現(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開發(fā)了光譜采集和處理軟件，實現(xiàn)對光譜儀的光譜數(shù)據(jù)處理、光譜譜線繪制、波長定標(biāo)相關(guān)功能。最后，對本文的系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實驗，實驗表明：按照該方案設(shè)計的微型光譜儀能同時對多個波長進(jìn)行測量，整個光譜儀的體積重量達(dá)到了設(shè)計所要求的微型化、小型化。為了使ccd探測系統(tǒng)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(zhuǎn)換芯片M始X1101對ccd輸出信號進(jìn)行相關(guān)及模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號暫時儲存在FPGA中，經(jīng)處理后通過USB總線傳送到上位機(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作為整個系統(tǒng)的核心，完成了ccd驅(qū)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(fā)展起來的新型半導(dǎo)體器件。它是在MOS集成電路技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，為半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用開拓了新的領(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)簡單、壽命長、性能穩(wěn)定等優(yōu)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(yīng)用。ccd圖像傳感器能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展，能給出直觀、真實、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)檢測和自動控制系統(tǒng)。實驗室用的數(shù)碼相機(jī)、光學(xué)多道分析器等儀器，都用了ccd作圖象探測元件。一個完整的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，在設(shè)定的積分時間內(nèi)由光敏單元對光信號進(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)動時鐘的作用下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)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(shè)備中，就可對信號再現(xiàn)或進(jìn)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(xiàn)在科學(xué)級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、分光光度計到膠文件、化學(xué)放光探測系統(tǒng)， 都用到了ccd 的攝像頭。但是很多研究工作者對ccd 的指標(biāo)仍云里霧里。下面對ccd 的一些常見指標(biāo)進(jìn)行表述。常見的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)入計算機(jī)是數(shù)字的。如果信號在攝像頭、采集卡兩部分完成數(shù)字化的，這個ccd 被認(rèn)為是模擬ccd。數(shù)字?jǐn)z像頭事實上是由內(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、增加攝像頭的動態(tài)范圍、最大化圖像灰度范圍。科學(xué)級的絕大多數(shù)的ccd 芯片都是由Kodak、Sony、SIT 制造。評價ccd 的基本指標(biāo)信噪比SNR 真實體現(xiàn)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(dá)到滿井電子的數(shù)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(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，需要專用的工藝制程實現(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現(xiàn)，除此之外還可將圖像處理電路集成，實現(xiàn)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(shù)幾個廠商例如索尼、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(qū)的比亞迪，格科微等公司。由于ccd技術(shù)出現(xiàn)早，相對成熟，前期占據(jù)了絕大部分的高端市場。早期CIS與ccd相比，僅功耗與成本優(yōu)勢明顯，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，部分高端DSC（DigitalStil Camera）市場，更是向ccd傳統(tǒng)優(yōu)勢市場——監(jiān)控市場發(fā)起沖擊。下面就監(jiān)控專用CIS與傳統(tǒng)ccd進(jìn)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(yōu)點，在圖像傳感和非接觸測量領(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序驅(qū)動下才能達(dá)到器件工藝設(shè)計所要求的最佳值，以及穩(wěn)定的輸出信號，因此驅(qū)動時序的設(shè)計是應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。通用ccd驅(qū)動設(shè)計有4種實現(xiàn)方式：EPROM驅(qū)動法；IC驅(qū)動法；單片機(jī)驅(qū)動法以及可編程邏輯器件（PLD）驅(qū)動法。基于FPGA設(shè)計的驅(qū)動電路是可再編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點是集成度高、速度快、可靠性好。若要改變驅(qū)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?nèi)魏斡布那闆r下，即可實現(xiàn)驅(qū)動電路的更新?lián)Q代。2CD1501Dccd工作參數(shù)及時序分析
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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，目前廣泛應(yīng)用于圖像傳感和非接觸式測量領(lǐng)域。在ccd應(yīng)用技術(shù)中，最關(guān)鍵的兩個問題是ccd驅(qū)動時序的產(chǎn)生和ccd輸出信號的處理。對于ccd輸出信號，可以根據(jù)ccd像素頻率和輸出信號幅值來選擇合適的片外或片內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器；而對于ccd驅(qū)動時序，則有幾類常用的產(chǎn)生方法。1常用的ccd驅(qū)動時序產(chǎn)生方法ccd廠家眾多，型號各異，其驅(qū)動時序的產(chǎn)生方法也多種多樣，一般有以下4種：0）數(shù)字電路驅(qū)動方法這種方法是利用數(shù)字門電路及時序電路直接構(gòu)建驅(qū)動時序電路，其核心是一個時鐘發(fā)生器和幾路時鐘分頻器，各分頻器對同一時鐘進(jìn)行分頻以產(chǎn)生所需的各路脈沖。該方法的特點是可以獲得穩(wěn)定的高速驅(qū)動脈沖，但邏輯設(shè)計和調(diào)試比較復(fù)雜，所用集成芯片較多，無法在線調(diào)整驅(qū)動頻率。
標(biāo)簽： 單片機(jī) ccd 驅(qū)動電路
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