面向高分辨率面阵CCD的新型信号采集系统设计

电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)是一种金属－氧化物－半导体结构的新型图像传感器器件。它能存储由光产生的信号电荷，当对它施加特定的时序信号时，其存储的信号电荷便可在CCD内部作定向传输而实现自扫描。由于它具有几何精度高、稳定性好、噪音小等优点，因而在遥感遥测、天文测量、非接触工业测量、光学图像处理等领域得到了广泛应用。近年来随着大面阵CCD生产工艺水平的提高和价格的下降，极大地促进了数码相机、数码摄像机等新兴消费类电子产品的发展，并迅速形成惊人的市场规模。本文主要讨论面向高分辨率面阵CCD的一种新型信号采集系统的软硬件设计和实现。该系统可用于数码相机以及对分辨率要求较高的图像处理场合。1 系统设计系统的原理框图如图1所示，被观测物经过光学镜头映射在CCD图像传感器的光敏阵列上，通过CCD内部将光信号转化为电信号。当时序发生器对其施加特定时序的脉冲时，每个像素的电荷信号将被依次移出CCD并经放大变成电压幅度不等的模拟信号。这些信号将会被送到外部独立的模拟前端(AFE)电路并转换为数字信号，这些数字信号就是传感器捕捉到的原始图像信息。在本系统中，采用AD公司新近推出的AD9995芯片，它集成了时序发生器、模拟前端以及A/D转换器的功能。AD9995中的时序发生器(Time Generator)产生CCD的驱动脉冲(V1～V6，H1～H4)，CCD在驱动脉冲的作用下输出像素电压信号给AD9995，由AD9995内部的模拟前端电路调理后经A/D转换器产生数字信号并行输出;之后这些数字信号通过DSP的PPI接口，在DSP中的DMA控制器控制下，高速存储到DSP的外部存储器SDRAM中，以待进一步的图像处理。

本文引用地址：系统硬件组成及实现2.1 ＣCD芯片本系统采用的ICX432DQF是SONY公司生产的一款3.24M有效像素的行间传送面阵CCD(如图2所示)，它具有高感光度，暗电流非常小，并带有电子快门功能，要求的水平驱动时钟频率为24.3MHz，需要六相垂直驱动脉冲和两相水平驱动脉冲来驱动。V1～V6为垂直脉冲输入引脚，H1、H2为水平脉冲输入引脚。在CCD曝光成像之后，首先会在驱动脉冲的作用下将每一列成像势阱中的电荷移送到旁边的垂直寄存器(掩膜阱)中，在垂直驱动脉冲的作用下，垂直寄存器组中所有像素电荷向下移动一行，此时最下边一行的像素电荷便被移送到水平寄存器中；之后在水平驱动脉冲的作用下，水平寄存器中电荷被依次移出，经放大形成电压信号由VOUT引脚输出，水平寄存器被移空后，所有余下的电荷又被下移一行，然后水平寄存器中的电荷再依次被移出。重复这个过程直至所有像素电荷被移出。

根据此款CCD的要求给其提供不同的垂直驱动脉冲组合，CCD可以按三种不同的方式输出图像：帧输出模式、高速输出模式和聚焦输出模式。帧输出模式下，CCD的所有有效像素电荷全部输出，图像具有最高的分辨率，在输出的过程中整帧图像分成三个场分别输出，之后再重组成一幅图像，此时的输出速度可达5帧/秒；高速输出模式下图像的输出速度可达30帧/秒，在此模式下并不是将全部像素电荷输出，相当于每六行输出一行，高速输出模式可以满足数码相机的预览功能；还有一种是为了实现图像快速聚焦功能的聚焦输出模式，此种模式下只将CCD中心区域的像素电荷输出，输出速度可达60帧/秒。2.2 时钟驱动和模拟前端模块AD9995是一种面向数码相机和便携式录像机开发的高度集成的CCD信号处理器。它由带A/D转换器的模拟前端(AFE)和一个可编程的时钟发生器两大功能模块组成。由于AD9995把时序发生器和AFE集成在一块芯片上(如图3所示)，不但可减小PCB板的尺寸，同时也使高速信号在传输与处理时的噪声得以降低，并减小了耗电量。在CCD工作前，有关驱动脉冲的参数需由DSP通过三线式串行接口写入时序发生器的相应寄存器组中。通过外接主时钟CLI，AD9995将产生CCD所需的水平及垂直驱动脉冲以及AFE驱动时钟。模拟前端包括暗电流箝位器、双相关采样器、增益放大器和一个12位的A/D转换器。

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