線陣CCD低噪聲測量系統(tǒng)設(shè)計

張俊汪濤

（重慶大學(xué)物理學(xué)院，中國 重慶401331）

0 引言

CCD(Charge-coupled Device，電荷耦合元件)圖像傳感器體積小、重量輕、功耗小、壽命長，同時具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、自掃描和光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括航空航天、傳媒攝像、工業(yè)生產(chǎn)等。隨著光電子技術(shù)的不斷發(fā)展，測量系統(tǒng)快速采樣、存儲、處理和傳輸是系統(tǒng)新的發(fā)展方向。由于線陣CCD實時控制較為容易，而且價格便宜，所以廣泛應(yīng)用于非接觸的尺寸測量、質(zhì)量檢驗、自動化及機器人視覺精確定位等等[1]。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由光源、光學(xué)鏡頭、被測物、線陣CCD、數(shù)據(jù)采集與傳輸單元和數(shù)據(jù)顯示單元構(gòu)成。當(dāng)光源的光通過光學(xué)鏡頭照射在被測物體上，被測物體的相關(guān)信息被線陣CCD記錄下來，由后續(xù)的數(shù)據(jù)采集單元將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號進行處理，最后傳輸顯示在上位機上。

本文設(shè)計的重點是數(shù)據(jù)采集與傳輸單元，具體設(shè)計如圖1所示。線陣CCD將光強信號轉(zhuǎn)換為模擬電信號輸出，再送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器中轉(zhuǎn)換為12位并行數(shù)字信號。用Matlab軟件設(shè)計一個低通濾波器，并結(jié)合FPGA將數(shù)字信號進行濾波處理。濾波后的數(shù)字信號送入FPGA內(nèi)嵌的存儲器中進行緩存，再通過并口轉(zhuǎn)串口模塊將12位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，通過串口上傳至上位機中顯示。

圖1 數(shù)據(jù)采集與傳輸結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1 圖像采集模塊

本系統(tǒng)選用的圖像傳感器為東芝公司的TCD1209D，這是一款兩相的CCD，主要用于傳真、圖像掃描和OCR(Optical Character Recognition光學(xué)字符識別)技術(shù)[2]。這款CCD靈敏度較高、暗信號電壓較小、動態(tài)范圍較大，非常適合用于尺寸測量。共有2048個有效像元，像元尺寸為14μm×14μm，相鄰兩個光敏單元的中心距為14μm。該CCD工作需要6路驅(qū)動脈沖，由FPGA產(chǎn)生，包括移位脈沖φ1、φ2，信號輸出脈沖φ2B，轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS和箝位脈沖CP。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

CCD輸出的信號為模擬信號，在將信號輸入到微處理器前，要將信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。本系統(tǒng)選用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為AD公司生產(chǎn)的AD9945，該芯片最高采樣頻率為40MHz，而本系統(tǒng)CCD信號頻率為1MHz，完全能滿足設(shè)計需要。其信號鏈主要由相關(guān)雙采樣(Correlated Double Sample)，數(shù)控可變增益放大器（Variable Gain Amplifier）和12位A/D轉(zhuǎn)換器組成。

為了降低CCD信號中的復(fù)位噪聲，模擬信號先經(jīng)過CDS處理[3]。在復(fù)位電平SHP和像元信號電平SHD的上升沿，對模擬信號進行采集，并將得到的兩個信號相減，從而降低復(fù)位噪聲。接著通過一個VGA增益放大器來調(diào)節(jié)信號的大小，可以通過一個10位的串行數(shù)字接口編程來設(shè)置增益的大小。最后CCD信號經(jīng)過12位的AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后，輸出數(shù)字信號，并且延遲了10個像素的時鐘。

2.3 FPGA模塊

本系統(tǒng)使用的FPGA芯片為Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8，通過設(shè)計產(chǎn)生CCD和AD的驅(qū)動信號，并結(jié)合Matlab軟件對數(shù)字信號進行低通濾波處理，處理后的信號經(jīng)過緩存和傳輸，顯示在上位機上。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計，軟件程序主要包括三個功能模塊：時序功能模塊、濾波功能模塊和數(shù)據(jù)傳輸功能模塊。

3.1 時序功能模塊

為了使CCD正常工作，必須設(shè)計出符合CCD正常工作的時序脈沖。將兩相時鐘頻率φ1、φ2設(shè)為1MHz，則RS和CP的頻率也為1MHz。AD9945需包含三個方面的時序設(shè)計：（1）串行數(shù)字接口SDATA、SCK和SL，對內(nèi)部寄存器進行配置；（2）相關(guān)雙采樣信號SHP、SHD，以及數(shù)據(jù)像素同步時鐘DATACLK；（3）光學(xué)暗電平鉗制脈沖，減少暗電平噪聲。

3.2 濾波功能模塊

本系統(tǒng)設(shè)計了低通濾波器對數(shù)字信號濾波，是結(jié)合Matlab和FPGA實現(xiàn)的[4]。系統(tǒng)設(shè)計的濾波器為有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器，使用窗函數(shù)設(shè)計方法。CCD輸出信號頻率為1MHz，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號頻率仍為1MHz，所以我們將低通濾波器的截止頻率設(shè)為1.2MHz，采樣頻率設(shè)為5MHz。通過Matlab設(shè)計了一個32階的低通濾波器，系數(shù)的量化位數(shù)為12比特。量化后得到的濾波器系數(shù)為：FF8、001、00D、000、FE3、FFB、03B、015、F95、FC8、0B7、084、EBF、EB4、2F2、7FF、7FF、2F2、EB4、EBF、084、0B7、FC8、F95、015、03B、FFB、FE3、000、00D、001、FF8，系數(shù)呈現(xiàn)出對稱性。

通過Matlab軟件得到濾波器系數(shù)后，利用FPGA對數(shù)據(jù)進行濾波。本系統(tǒng)使用FIR濾波器直線型結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個乘累加運算，且乘累加運算的次數(shù)由濾波器階數(shù)決定。同時累加運算由串行結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，即每級延時單元與相應(yīng)系數(shù)的乘積結(jié)果進行累加后輸出，因此整個濾波器實際上只需要一個乘法器運算單元。由于FIR濾波器系數(shù)具有對稱性，所以進行對稱系數(shù)的加法運算也由一個加法器串行實現(xiàn)。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸功能模塊

經(jīng)過濾波后的數(shù)字信號先經(jīng)過存儲器進行緩存，我們設(shè)計一個FPGA內(nèi)嵌的異步FIFO對數(shù)據(jù)進行緩存處理。由于CCD的信號頻率為1MHz，所以寫時鐘頻率設(shè)為1MHz。將串口傳輸速率設(shè)為9600bps，則FIFO讀時鐘頻率應(yīng)大于9600/12Hz，將讀時鐘頻率設(shè)為0.8MHz。同時設(shè)置空、滿標(biāo)志信號來判斷何時將數(shù)據(jù)寫入和讀出FIFO。

從FIFO中傳輸出來的12位并行數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，才能通過串口上傳至上位機中。需要在FPGA內(nèi)部設(shè)計一個移位寄存器，并行數(shù)據(jù)傳輸至移位寄存器后，在通過數(shù)據(jù)緩沖寄存器輸出。

4 系統(tǒng)測試與分析

搭建實驗平臺，進行系統(tǒng)測試。將被測物選為雙縫，其衍射條紋投射在線陣CCD上，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸，傳輸至上位機中。我們將未加低通濾波器時采集到的數(shù)據(jù)保存為txt格式，并用Matlab進行仿真，圖2所示為CCD信號濾波前后的頻譜圖，從圖中我們可以看出，原信號中頻率成分大于1.2MHz的信號被濾除，仿真證明濾波效果較好。圖3中顯示了實驗中得到的CCD時域信號，通過對比我們可以看出經(jīng)過濾波后的條紋更加平滑，毛刺也相應(yīng)減少了。

圖2 Matlab仿真CCD信號濾波前后的頻譜圖

圖3 雙縫衍射光強分布圖

5 結(jié)論

本文設(shè)計的低噪聲測量系統(tǒng)是基于FPGA技術(shù)的，由于FPGA具有運算速度快、配置靈活等諸多優(yōu)點，提高了系統(tǒng)的運算速度和集成度。本文從硬件和軟件兩方面對CCD噪聲進行了處理，提高了系統(tǒng)的測量精度。該測量方法可以推廣到具有更高工作頻率的CCD測量系統(tǒng)中，例如無接觸位移測量和振動測量等領(lǐng)域。

［1］王鑫,陳驥,曹久大,等.線陣CCD高速數(shù)據(jù)采集與實時處理系統(tǒng)[J].光電子·激光,2008,19(2):174-177.

［2］王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000:30-45.

［3］王華偉,劉波,曹劍中.CCD信號處理電路設(shè)計研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2007,7(16):4153-4156.

［4］杜勇.數(shù)字濾波器的Matlab與FPGA實現(xiàn)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014:101-150.