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新型數(shù)字CCD相機及其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡設(shè)計
摘要：以ＤＡＬＳＡ 公司的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機為例，詳細討論了數(shù)字ＣＣＤ相機的接口信號及其時序關(guān)系；研究了數(shù)字ＣＣＤ相機圖像傳輸卡的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了傳輸卡的電路原理及各部分的實現(xiàn)方法。隨著ＣＣＤ技術(shù)的發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型ＣＣＤ相機不斷出現(xiàn)。ＣＣＤ相機輸出的數(shù)字化，簡化了相機與傳輸采集系統(tǒng)的接口設(shè)計，使數(shù)字ＣＣＤ相機正越來越多地成為實時ＰＣＩ控制、數(shù)據(jù)采集、圖形圖像處理、遙感遙測等系統(tǒng)中的探測器。這種ＣＣＤ相機多采用幀轉(zhuǎn)移型體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換速度快，量化精度、量子效率高。準(zhǔn)確理解相機的接口信號及其時序關(guān)系，掌握其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的原理及實現(xiàn)方法，可大大拓寬數(shù)字ＣＣＤ相機的應(yīng)用領(lǐng)域，提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性。
１ 數(shù)字ＣＣＤ相機及其接口技術(shù)
在本系統(tǒng)中使用ＤＡＬＳＡ公司生產(chǎn)的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數(shù)字ＣＣＤ相機。該相機是一種幀轉(zhuǎn)移型的ＣＣＤ相機，相機的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機內(nèi)部采用了相關(guān)雙采樣（ＣＤＳ）、垂直反暈（ＶＡＢ）等技術(shù)，大大提高了相機的成像品質(zhì)。相機輸出經(jīng)過采樣、量化的數(shù)據(jù)，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４Ｈｚ，電子快門。相機內(nèi)部由ＣＣＤ圖像傳感器、驅(qū)動器、定時器、Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換等模塊組成。其接口信號分為兩類：用戶總線接口信號和數(shù)據(jù)總線接口信號。
用戶總線接口信號包括：
·ＥＸＳＹＮＣ?觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。當(dāng)ＥＸＳＹＮＣ固定接低電平時，相機以最大幀速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當(dāng)ＥＸＳＹＮＣ正負(fù)交替時，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。
·ＰＲＩＮ?像元復(fù)位信號，為可選信號。在兩次ＥＸＳＹＮＣ有效之間復(fù)位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時間。ＰＲＩＮ低有效，在其上升沿開始有效曝光。如果ＰＲＩＮ固定接高電平，積分時間最大；如果ＰＲＩＮ被固定接低電平，探測器收集不到任何圖像信息。
·ＢＩＮ?像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會降低相機的空間分辨率，但會增強探測器對光的敏感性。ＢＩＮ信號高有效，不用時將其接為低電平。
以上信號均由應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生，送給相機，為應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)定相機的工作模式提供了手段。
數(shù)據(jù)總線接口信號為相機輸出信號，包括：
·ＤＡＴＡ０～１１?１２位數(shù)據(jù)總線。ＤＡＴＡ０～１１是相機輸出的、分別對應(yīng)目標(biāo)某個像元灰度的１２位圖像數(shù)據(jù)。
·ＳＴＲＯＢＥ?像元時鐘信號。ＳＴＲＯＢＥ是圖像數(shù)據(jù)的像元時鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無效，ＳＴＲＯＢＥ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，傳輸卡應(yīng)在ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ為高電平時，在ＳＴＲＯＢＥ的下降沿進行數(shù)據(jù)鎖存。
·ＦＶＡＬ?幀同步信號。ＦＶＡＬ高電平表明相機正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。
·ＬＶＡＬ?行同步信號。當(dāng)ＦＶＡＬ為高電平時，ＬＶＡＬ高電平表明相機正輸出一個有效的像元行。在兩個有效行之間，ＬＶＡＬ會變低跳過幾個無效的像元，跳過的像元數(shù)取決于相機的型號和預(yù)觸發(fā)設(shè)定。
圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正是利用這些接口信號來實現(xiàn)對相機的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按ＲＳ４２２規(guī)范?以差分方式在數(shù)字相機和圖像傳輸卡間進行傳輸，傳輸電纜為１００Ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機接口信號之間的時序關(guān)系。
當(dāng)ＰＲＩＮ由低電平向高電平跳變時，相機開始曝光。達到設(shè)定的曝光時間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號變低，觸發(fā)幀讀出。此時相機首先進行幀轉(zhuǎn)移，幀轉(zhuǎn)移一結(jié)束，輸出信號ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開始，ＬＶＡＬ由低變高表示相機正輸出有效像元行。當(dāng)ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ再一次變低時，表示一幀數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，可以開始第二次觸發(fā)幀讀出（使ＥＸＳＹＮＣ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉(zhuǎn)移結(jié)束后與第二次幀讀出啟動前這段時間進行，曝光時間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
２ 數(shù)字ＣＣＤ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的設(shè)計實現(xiàn)
在應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)字ＣＣＤ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的主要任務(wù)是產(chǎn)生相機工作所需的輸入信號，解譯相機的輸出信號，使相機在電控方式下工作?并實時、正確地抓取相機輸出的圖像數(shù)據(jù)，在相機和計算機內(nèi)存之間建立硬件傳輸通道。為了適應(yīng)數(shù)字ＣＣＤ相機數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，早期基于ＩＳＡ總線的圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正逐步向基于ＰＣＩ總線的傳輸卡過渡。
２．１ 圖像數(shù)據(jù)傳輸卡電路說明
筆者設(shè)計開發(fā)的適用于ＤＡＬＳＡ公司ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ型數(shù)字ＣＣＤ相機的圖像傳輸卡的原理框圖如圖２所示。
驅(qū)動轉(zhuǎn)換接口電路對相機與傳輸卡間的接口信號進行ＲＳ４２２和ＴＴＬ電平間的相互轉(zhuǎn)換；雙口ＲＡＭ為幀存儲器，經(jīng)編程控制可將相機輸出的一幀圖像數(shù)據(jù)寫入，或經(jīng)ＰＣＩ橋讀出圖像數(shù)據(jù)至內(nèi)存。采用幀存儲器可以實現(xiàn)多個相機同時曝光，圖像數(shù)據(jù)分時通過計算機總線寫入內(nèi)存。ＦＰＧＡ?xí)r序發(fā)生器用來產(chǎn)生雙口ＲＡＭ的地址線、讀寫控制線以及相機和傳輸卡正常工作所需的聯(lián)絡(luò)信號。ＰＣＩ接口芯片是計算機與雙口ＲＡＭ及ＦＰＧＡ間的橋梁，在它們之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號的傳輸，并可通過初始化設(shè)置，實現(xiàn)ＰＣＩ協(xié)議提供的各種傳輸模式。
２．２ ＦＰＧＡ?xí)r序邏輯發(fā)生器設(shè)計
本圖像數(shù)據(jù)傳輸卡采用ＡＬＴＲＡ公司生產(chǎn)的ＦＰＧＡ芯片ＥＰＭ７１２８ＳＬＣ８４－１５作為時序邏輯發(fā)生器。通過在系統(tǒng)編程（ＩＳＰ）使其實現(xiàn)一個２０位計數(shù)器、一個１位計數(shù)器、兩個鎖存器及十幾個非標(biāo)邏輯門的功能。其中２０位計數(shù)器給１Ｍ×４Ｂｉｔ的幀存儲器提供地址；１位計數(shù)器用來對卡上的３０ＭＨｚ時鐘信號進行二分頻，產(chǎn)生１５ＭＨｚ的ＶＣＬＫ信號；兩個鎖存器分別輸出行同步和
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