基于FPGA的CCD信号处理电路设计.docx
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基于FPGA的CCD信号处理电路设计
摘要在非接触位移测量领域中,电荷耦合器件CCD是具有较高灵敏度的光电传感器,其测量精度高,能自动连续地进行检测。
本论文研制了应用于线阵CCD的几种电路。
研制了CCD自动增益调整电路。
实验证明,这个系统能够自动调整不符合采集要求的CCD增益,提高测量精度。
研制了双通道数据采集电路。
该电路利用快速A/D转换器AD9048、双端口存贮器IDT7134组成高速采集与缓冲电路,实现了双通道CCD信号的同步高速采集。
研制了采用现场可编程门阵列FPGA的CCD驱动与数据处理电路。
本文利用VerilogHDL硬件描述语言进行设计,将FPGA器件配置成专用于线阵CCD信号的硬件数据处理器,达到数据实时处理的要求,并同时将CCD驱动电路集成在FPGA器件内,缩小了电路面积,提高了系统的集成度。
关键词:
自动增益调整电荷耦合器现场可编程门阵列信号处理
Abstract
Infieldofdisplacementmeasurewithouttouch,chargecoupledeviceCCDisahighsensitivityphotoelectricsensorwithhighmeasurementprecision,whichcanbeusedinautomaticsuccessionmeasure.Inthisthes,iseveralkindsofcircuitappliedonlinearCCDareresearchedandproduced.Akindofcircuitfortheauto-gainregulationofCCDisresearchandproduced.AccordingtothelinearrelationshipbetweentheCCDexposuretimeandtheoutputanalogicvoltage,ItisprovedbytheexperimentthatthegainofCCDwhichdoesn'atccordwiththecollectioncircuitcanbeself-regulatedbythissystem,meanwhiletheprecisionofmeasureisincreased.Thecircuitfordual-waydatacollectionisresearchedandproduced,inwhichthehigh-speedcollectinandbuffercircuitareformedonbasisofusingfastA/DconverterAD9048anddual-waymemoryIDT7134.Sothesynchrohighdatacollectionfordual-wayCCDsignalisfulfilled.ThecircuitofCCDdriveanddataprocessareresearched,inwhichfieldprogrammablegatearrays(FPGA)isadopted.Inthisthesi,sVerilogHDLhardwaredescriptionlanguageisusedindesign,FPGAdeviceisconfiguredtohardwaredataprocessorusedespeciallyonlinearCCDsignal,therequestofdataprocessonrealtimeissatisfied.Atthesametim,ethecircuitforCCDdriveisintegratedinFPGAdevice,theareaofthecircuitisdecrease,dthesystematicintegratedlevelisalsoincreased.
Keywords:
auto-gainregulationCCDFPGAsignalprocessing
第一章绪论1
1.1CCD基本概述1
1.2本课题研究的目的、意义2
第二章方案论证与方案设计3
2.1国内外研究现状和发展动态3
2.2CCD信号处理电路结构及原理3
2.3本文所做的主要工作4
第三章CCD自动增益调整电路设计6
3.1光源光功率的调整6
3.2驱动电路的频率调整6
第四章双通道CCD信号数据采集电路设计11
4.1电路要求11
4.2CCD信号的二值化处理11
4.3CCD信号的量化处理12
4.4双通道CCD信号数据采集13
第五章基于FPGA的CCD数据采集及处理系统设计17
5.1FPGA在CCD驱动电路中的应用17
5.2FPGA在CCD信号数据处理中的应用21
5.3采集及处理系统28
5.4系统性能28
总结30
参考文献31
致谢32
第一章绪论
1.1CCD基本概述
机械工业是国民经济的装备部门,而标准化和计量测试是机械工业发展的基础和先决条件。
在机械制造中,精密加工必须靠精密的测量手段来保证,加工精度的提供与计量技术的发展水平密切相关。
测量与控制是促进科技发展的一个重要因素。
CCD(ChargeCoupledDevice),电荷耦合器件,是70年代初发展起来的新型半导体器件,其设计思想是由美国贝尔实验室的Boyer与Smith于70年代提出。
二十多年来,CCD的研究取得了惊人的进展,特别是在传感器应用方面发展迅速,已成为现代光电子学与现代测试技术中最活跃、最富有成果的新兴领域之一[1]。
由于CCD具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、重量轻、体积小、像素位置准确、耗电少、寿命长、可靠性好、信号处理方便、易于与计算机配合等优点,致使CCD光电尺寸测量的使用范围和特性比现有的机械式、光学式、电磁式量仪优越得多。
特别值得注意的是CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法,它使加工、检测和控制过程融为一体成为可能。
利用CCD作为光敏感器件的激光三角法测量技术在非接触尺寸、位置测量中得到了广泛应用。
它将激光束投射到被测物面所形成的漫反射光斑作为传感信号,用透镜成像原理将收集到的漫反射光汇集到CCD上形成像点,当入射光斑随被测物面移动时,成像点在CCD上作相应移动,根据象移大小和传感器的结构参数可以确定被测物面的位移量,若在物体两边同时测量就可以得到物体的厚度。
在用CCD构成的实际测量系统中,存在着以下几个问题和要求:
a.增益调整要求:
在实际的工作中,若更换了被测物体或同一被测物体的表面对激光的反射率变化比较大时,若反射的光较强,有可能使连续的CCD光敏单元产生饱和电荷;若反射的光较弱,被测点对应的像敏单元吸收的光信息很少。
这两种情况都会使输出的模拟信号失真,进行A/D转换后再进行数据处理的结果会不真实反映被测物体的位移信息,影响测量的精度。
这就需要CCD信号的增益调整[2]。
b.双通道要求:
在利用激光三角测量方法测物体厚度时,对物体要进行双面测量,两边的光路应同时成像在各自对应的CCD上。
采集电路需要进行双通道同步采样,这样才能保证所采集到的光点信号是同时的,最后得到的结果才真正反映物体的厚度。
而目前商用的A/D采集卡都是多通道分时顺序采样的,这就必然造成采样时差及对应的尺寸误差。
c.测量速度要求:
在某些CCD采集光强度足够的场合中,若要求测量的速度达到几百HZ或1KHZ以上时,CCD的光积分时间或帧周期要求为几个ms或低于1ms。
要在如此短的时间内完成几千个数据的采集及计算,需要高速的数据采集及处理。
d.集成度要求:
在使用CCD进行的测量系统中,需要配备CCD驱动电路、数据采集电路、数据处理电路及结果显示电路。
为减少电路板的尺寸,需要将CCD的驱动电路从板级电路集成到一块芯片上。
1.2本课题研究的目的、意义
本课题适用于应用线阵CCD进行位移测量的领域中。
在物体位移测量系统中,以CCD作为位移传感器。
当激光头发出的激光照射在被测物体表面上,反射光经过透镜聚焦后成像于CCD光敏单元上,而CCD驱动电路以一定频率的脉冲驱动CCD输出反映物体位移信息的信号。
处理时再将此信号经过A/D转换、采集后送到微处理器或其他器件进行运算。
本论文工作的目的就是解决上节所述的CCD测量系统中存在的技术问题,以满足时间测量的精度、速度、集成度等要求,使CCD测量技术更好地服务于实际应用中。
第二章方案论证与方案设计
2.1国内外研究现状和发展动态
在现代信号处理和电子应用技术领域,CCD作为一种必不可少的组成部分处在了一个十分重要的位置,并日益显示出其巨大的应用价值。
尽管CCD技术的发展到现在只有几十多年的历史,但它的发生与发展已经历了诸多变化,作为一种信号处理的技术已相当完善,并不断发挥着其重要的作用。
长期以来,人们不断地探索CCD电路处理的设计与实现方法,努力地追求着简化设计、减少体积、改善性能、提高灵活性和可靠性、便于制作等问题。
随着微电子学迅速发展,以单个芯片进行CCD信号电路处理的设计正在发展和应用中。
如今CCD信号处理电路的设计有多种实现方法。
第一种是采用单片机来实现,但单片机的处理速度比较慢。
第二种是采用专用的DSP芯片,但是DSP的串行指令执行发式,使其工作速度和效率大打折扣,而且在一些高速的应用中,系统性能不断增长,而DSP性能的提高却落后于需求的增长。
第三种是采用可编程逻辑器件(PLD)的方法来实现。
可编程逻辑器件在电子技术领域中的应用,为数字硬件电路系统的设计带来了极大的灵活性。
由于可编程逻辑器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构,使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。
这一切极大地改变了传统的数字硬件电路系统设计方法、设计过程、乃至设计观念。
纵观可编程逻辑器件的发展史,它在结构原理、集成规模、下载方式、逻辑设计手段等方面的每一次进步都为现代电子设计技术的革命与发展提供了不可或缺的强大动力。
自从1989年美国Xilinx公司率先发明FPGA(现场可编程门阵列)的概念以来,FPGA技术以其现场设计、现场修改、现场验证、现场实现的可达数万门级的数字系统单片化的应用优势,随着亚微米CMOS集成电路制作技术的成熟和发展,器件集成度不断增大,器件价格不断下降的趋势,逐渐受到各国电子系统应用领城的设计工程师的广泛关注和欢迎。
时至今口,FPGA技术不再是ASIC技术领域的一个点缀和补充,而跃为电子应用(包括通讯技术、计算机应用、自动控制、仪器仪表、ASIC设计)等诸多领域受欢迎的实用技术,成为数字系统科研实验、样机试制、小批量产品即时实现的最佳途径。
2.2CCD信号处理电路结构及原理
CCD(电荷耦合器件)作为近代新型的固体成像器件,具有体积小、分辨率高、灵敏度好、可靠性强等优点。
CCD成像仪在国民经济发展和国防安保领域都得到了广泛的应用,并有逐步取代胶片相机的趋势。
CCD相机的成像质量对应
用的效果起着关键的作用。
因此,如何提高CCD相机的成像质量成为了CCD相机研制的一个重点。
CCD相机成像质量主要由光学系统、驱动电路、信号处理电路和图像处理电路来决定。
其中信号处理电路是连接CCD输出(模拟信号)和后端数字处理电路的桥梁(一般称其为模拟前端(AFE)),是决定图像质量的关键因素之一,也是调试中的一个难点。
AFE的设计方法一般有两种,一种是采用分立元件搭建,另一种是采用集成AFE。
第一种方法电路设计比较麻烦,且调试难度较大,目前主要采用集成AFE。
本文研究了CCD信号处理电路的原理,并根据CCDACEX1K30的信号处理电路设计实例对其关键问题进行了总结和分析。
CCD信号处理电路结构及原理如图2-1所示,CCD信号处理电路主要由相关双采样(CDS)、可编程增益放大器(PGA)和模数转换器(ADC)组成。
CCD在正确的时钟驱动下,将照射在其感光单元上的光能量转换为电荷,并以电压的形式输出,经缓冲放大后进入信号处理电路。
由于CCD输出信号的特殊性,不能直接进行模数转换,一般是先对其进行相关双采样,提取出代表图像信息的周期性模拟信号,然后根据实际需要对其放
大,将放大后的信号模数转换量化为数字信号供后端处理。
OUT
CCD信号
可编程增益
放大器
图2-1CCD信号预处理电路结构
2.3本文所做的主要工作
在调研了CCD采集和处理系统方面相关资料的基础上,针对所存在的问题,为利用CCD进行的测量工作研制了以下电路。
(1)CCD自动增益调整
线阵CCD传感器输出的模拟电压与入射光光强、帧转移频率有关,且随着入射光光强的增加而增大,随着帧转移频率的提高而减小。
当入射光越强,或帧转移脉冲频率越小、即积分时间越长,则对应的光敏单元捕捉到的光量越多。
到一定限度时,连续的光敏单元产生的光电电荷到达饱和,输出的离散电压为饱和值。
反之,则光敏单元采集到的光信号很弱,输出的模拟电压很低,与暗电平相比不突出,采集后的数据不利于系统的处理,使误差增大。
对于前面提出的精度要求的情况,可以采用改变光强的方法,也可以采用手工调节CCD的驱动频率的方法来提高测量的精度。
而本文提出了CCD自动增益调整,具有其优越性。
在自动增益调整的过程中,由于CCD输出电压的峰值随着帧转移信号的频率提高而减小,处理器芯片根据CCD输出模拟电压的峰值的大小进行调整。
当峰值过大,提高帧转移频率。
反之,则降低帧转移频率。
采集及处理电路采用了自动增益调整,使CCD吸收到合适的光信息,从而将输出的信号控制在一定的电压
范围之内,满足了采集和处理系统的要求,提高了系统的测量精度。
(2)基于FPGA的CCD驱动电路
CCD驱动电路的设计是CCD应用的关键问题之一。
以往经常采用的驱动方法包括直接数字驱动方法、EPROM驱动方法、单片机驱动方法,前2种基本偏重硬件的实现,调试困难,灵活性较差,而后一种虽编程灵活,但存在资源浪费较多、频率较低的缺欠[3]。
本文采用FPGA进行设计。
整个设计是采用自上而下的设计方法,编程完只要进行仿真、时序验证正确后再最后下载到器件中,再进行电路的测试,校验,直到达到预期的效果。
这样的设计修改起来很方便,只需要改程序就行,而不像传统的设计方法,要更换器件、修改设计电路等。
基于FPGA的设计既具有用软件编程的方便性,又可以达到完全硬件运行的高速性能,并且满足集成度的要求,从板级电路集成到一块芯片上,节省了电路板面积。
(3)基于FPGA的CCD信号数据采集及处理系统在整个系统的测量速度方面,若用单片机进行数据处理已远远满足不了要求,就需要采用其他器件,本文采用FPGA(FieldProgrammableGateArray,现场可编程门阵列)进行设计。
采用高速A/D转换器AD9048及双端口存贮器IDT7134组成高速缓冲电路,满足了高速采集的要求。
利用FPGA高度集成及高速运行能力的优点,将FPGA配置成专用于线阵CCD测量领域中的硬件数据处理器,满足实时数据处理的要求,并使整个系统的运行能力大大提高,满足了测量速度的要求。
第三章CCD自动增益调整电路设计为了确知某一测试对象的各项特性,我们常常要借助各种仪表和各种手段(直接测量或遥测)来获得各种各样的测量结果(数据)。
但若直接对CCD输出的模拟信号进行数据采集而不加任何预处理,就直接使用,则是非常不适当的。
要使采集的信号正确的反映被测参数的特性就要对信号加以监控。
在物体位移测量系统中,以CCD作为位移传感器。
当激光头发出的激光照射在被测物体表面上,反射光经过透镜聚焦后成像于CCD光敏单元上,而CCD驱动电路以一定频率的脉冲驱动CCD输出反映物体位移信息的信号。
处理时再将此信号经过A/D转换,采集后送到单片机或计算机进行运算。
但在实际的工作中,若更换了被测物体或同一被测物体的表面对激光的反射率变化比较大,在较强的输入光下,有可能使连续的CCD光敏单元产生饱和的电荷,从而使输出的模拟信号出现在数据采集条件要求之外,不真实反映被测物体的位移信息,这样经过A/D转换后进行数据处理的结果会影响测量的精度,使误差表现较大。
CCD测量系统的精确程度与CCD输出模拟信号的峰值电压范围相关,有三种方法使得CCD信号保持在线性范围内,一种是通过调节外部光照强度,另两种是通过手工或自动调整CCD感光时间的方法使输出的模拟电压的峰值在一定电压范围之内。
本文采用自动增益调整的方法进行设计,其具有一定的优越性。
3.1光源光功率的调整
面阵CCD对目标与背景的衬比即背景光的亮度有一定的要求,光太强或太弱都会对衬比度产生影响。
为了在工作中使衬比度最佳,被俘获目标经过光学镜头成像于面阵CCD靶面,系统通过提取CCD相机的视频信号,测出背景光强弱,并以此为根据,时刻调节背景光,减小或增加光的能量,使衬比度最佳。
3.2驱动电路的频率调整
3.2.1自动调整原理
线阵CCD传感器输出的模拟电压与入射光光强、帧转移频率有关,且随着入射光光强的增加而增大,随着帧转移频率的提高而减小。
当入射光越强,或帧转移脉冲频率越小、即积分时间越长,则对应的光敏单元捕捉到的光量越多。
到一定限度时,连续的光敏单元产生的光电电荷到达饱和,输出的离散电压为满值,就出现了图3-1(a)这种情况。
此时,应提高帧转移频率。
反之,则出现图3-1(b)的情况,则应降低频率。
图3-1CCD信号输出情况
图3-1(a)CCD输出信号过强(b)CCD输出信号过弱
3.2.2电路设计思路
在自动增益调整的过程中,由于CCD输出电压的峰值随着帧转移信号Tsh的频率增大而减小,处理器芯片根据CCD的输出模拟电压的峰值的大小进行调整。
当峰值过大,提高帧转移频率,反之,则降低帧转移频率。
根据以上的设计思路,系统分为检测和调节两个环节。
3.2.3CCD信号强度检测电路
图3-2检测电路图图3-2为检测电路。
SH为CCD的帧转移信号,单片机采用中断方式响应SH的下降沿。
当CCD模拟电压转移完后,产生SH脉冲信号,其脉宽大于单片机3个周期,符合单片机中断信号采样的要求。
1.采样保持电路
图3-2中OS为CCD输出的模拟电压,通过由比较器LM124A、LM124B以及二极管、电容组合的峰值保持电路进行峰值采样。
采样后保持的峰值电压再输送至A/D转换器ADC0832的输入通道V1。
其转换后的结果通过D0位送给微处理器,89C51再判断这个峰值的大小是否符合预先设置的要求,进而调节CCD驱动电路的帧转移的频率,从而调节CCD模拟电压峰值的范围。
2.A/D转换器
图3.2中ADC0832是8位逐位逼近式A/D转换器,其转换所需时间为32uS,虽然转换速率不高,但足以满足电路的要求。
其优点是封装简单,功耗低。
其微分输入模拟电压的特性提高了共模抑制比。
参考电压内部连接至电源电压,无需另外输入。
输入模拟电压的范围为0~5V。
最大的优点是可以双通道模拟电压输入,通过编程方式对通道进行方式选择。
工作时,在CS有效、CLK上升沿时通过DI位进行工作方式选择,依次为选择起始位、极性、地址选择位单元。
再在CLK下降沿时通过D0位串口输出8位译码结果。
与单片机的接口见图3-2。
图3-2中单片机通过对JK触发器进行复位或置位来控制NPN三极管的导通或截止,从而控制电容的放电或电压的保持。
由于在系统中要求对CCD峰值电压进行采样,因而需要在CCD前一帧内进行峰值采样保持,并且在下一帧,在单片机对A/D输送的数据处理完后才对电容放电。
因而电路需要两帧进行调节一次。
3.2.4调整电路
单片机处理器接收检测电路的峰值后,判断其是否符合要求。
若不符合要求则要改变CCD驱动电路的帧转移的频率。
由于CCD驱动电路的帧转移频率与由电阻R、电容C及门电路组成的多谐振荡电路相关,改变电阻R的阻值就可以改变振荡频率,从而改变CCD帧转移频率。
图3-3是调整电路。
图3-3调整电路图
x9313器件是数字控制电位计,器件主要由计数器,译码部分、电阻阵列、触点开关、控制部分、非挥发存贮器几部分组成(见图3-4)。
图3-4中,当CS为低电平时,选中器件,在INC下降沿时若U/D为低,则5位计数器减1,若U/D为高,则计数器加1。
每来一个INC下降沿进行一次计数操作,并可将结果存进存贮器。
电阻阵列由31个串连电阻元件和一个触点开关网络组成。
每一个电阻元件的两端通过触点与滑动端Rw相连。
Rh、R1相当于可调电阻的两端(选择型号为x9313w的数字控制电位计,其RH、Rl两端电阻的阻值为10kΩ),Rw相当于可调电阻的滑头,通过编程改变Rw与RH、Rl间的电阻值,就像移动可调电阻的滑头使阻值改变一样。
正常工作下5位计数器的译码输出用于驱动触点的闭合,从而使触点合上的位置与存贮器的值保持匹配,即当计数器加1时,触点合上的位置往上移动一位(原来合上的触点就放开了)。
当INC在CS上升沿时保持低电平,触点在相应的位置闭合后存贮器将自动放弃存贮功能。
Rw与Rl输出到CCD驱动电路作为RC多谐振荡电路的数字可调电阻,用于改变振荡工作电路的频率。
系统工作时,单片机根据A/D转换值进行调整,当峰值高了时,降低x9313的等效电阻。
反之,则加大。
逐渐增加光的亮度,这一点从示波器上的光的亮度可以看出。
从图(a)到图(f),随着光强的逐渐增加,CCD输出的帧数逐渐增加,也就是帧的周期在逐渐减少,单元转移频率提高,而CCD输出的幅度在采集要求的范围内,这一点正好验证了前面提出的自动增益思路。
将采用自动增益调整的CCD测量系统与未采用自动增益调整的CCD测量系统进行比较。
首先,调整光强使CCD工作在这种状态下:
一段连续的CCD光敏单元输出饱和的离散电压。
测
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