基于FPGA的線陣CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)

章金敏，張菁，陳夢(mèng)葦

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430070）

基于FPGA的線陣CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)

章金敏，張菁，陳夢(mèng)葦

（武漢理工大學(xué)理學(xué)院，湖北武漢430070）

設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場可編程邏輯器件的線陣CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)。系統(tǒng)采用線陣CCD TCD2252D作為圖像傳感器，使用CCD專用信號(hào)處理芯片AD9826對(duì)CCD信號(hào)去噪并實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)用USB接口芯片完成CCD數(shù)據(jù)的傳輸，最后在上位機(jī)顯示采集的圖像數(shù)據(jù)。整個(gè)系統(tǒng)由基于Verilog的CCD驅(qū)動(dòng)模塊、CCD輸出信號(hào)處理模塊、雙口RAM緩存模塊、USB接口控制模塊等組成，結(jié)合上位機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD輸出圖像的準(zhǔn)確采集、顯示和保存。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集和顯示圖像信息，USB傳輸速度可達(dá)28 MB/s，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好。

實(shí)時(shí)采集；電荷耦合器件；現(xiàn)場可編程邏輯器件；信號(hào)處理

0 引言

目前，隨著科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)的需要，越來越多的場合需要實(shí)時(shí)高速的圖像采集處理系統(tǒng)。線陣CCD作為一種光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器，它利用光電轉(zhuǎn)換原理將圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過預(yù)處理和A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，通過一種上位機(jī)通信方式，可在邏輯器件的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集傳輸，并在PC端進(jìn)行后續(xù)處理。利用CCD采集圖像具有檢測精度高、處理速度快、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其已廣泛應(yīng)用于圖像采集、非接觸式測量和實(shí)時(shí)監(jiān)控等諸多領(lǐng)域[1]。

CCD器件的正常工作需要外加驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖，時(shí)序脈沖的產(chǎn)生方法有很多種，如數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)法、單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法、EPROM驅(qū)動(dòng)法。雖然這些方法都可以產(chǎn)生時(shí)序脈沖，但是電路設(shè)計(jì)的難度大，兼容性差。本文直接使用FPGA來產(chǎn)生時(shí)序脈沖。FPGA高速、并行等優(yōu)勢(shì)使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)非常靈活；FPGA的資源豐富，尤其是內(nèi)部存儲(chǔ)資源，可作為CCD數(shù)據(jù)的緩存，能夠大大簡化系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的線陣CCD實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)，它采用FPGA+USB的平臺(tái)結(jié)構(gòu)，以線陣CCD作為圖像傳感器，使用CCD專用信號(hào)處理芯片AD9826對(duì)CCD信號(hào)去噪并實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)用USB接口芯片完成CCD數(shù)據(jù)的傳輸，最后在上位機(jī)上顯示采集的圖像數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要由CCD驅(qū)動(dòng)模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)緩存模塊、雙口RAM緩存模塊、USB接口模塊和上位機(jī)模塊等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。上電后，線陣CCD圖像傳感器在FPGA的驅(qū)動(dòng)下接收前端圖像信息，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出；然后，模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9826對(duì)CCD輸出信號(hào)作相關(guān)雙采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA配置內(nèi)部雙口RAM作為數(shù)字信號(hào)的緩存區(qū)；最后，USB接口控制芯片把數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，在VS2008環(huán)境下開發(fā)上位機(jī)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 主控制器FPGA

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，只有深入了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，才能有效利用它。FPGA能夠用較少資源實(shí)現(xiàn)較高的性能和更多的功能，滿足低成本要求。本設(shè)計(jì)中的FPGA采用Altera公司的Cyclone IV系列的EP4CE6E22C8，其內(nèi)部具有6 272個(gè)邏輯單元，30個(gè)M9K內(nèi)存單元，270 Kbit嵌入式存儲(chǔ)器，2個(gè)鎖相環(huán)，92個(gè)用戶I/O，可自由分配其功能與外部電路的連接。在該系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)CCD的驅(qū)動(dòng)控制、AD9826的采樣控制、雙口RAM的配置以及對(duì)USB接口芯片的控制。經(jīng)過資源估算，該FPGA完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。

1.2 CCD驅(qū)動(dòng)模塊

線陣CCD是采集系統(tǒng)的重要器件，完成光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本文采用的線陣CCD是東芝公司生產(chǎn)的TCD2252D。TCD2252D是一款高靈敏度、低暗電流的雙溝道彩色線陣CCD，它由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器及信號(hào)輸出單元組成。該器件包含3列2 700有效像元的光敏二極管，分別采集紅綠藍(lán)三色，最小像素單元尺寸為8μm×8μm，相鄰光敏列間距為64μm[2]。

在線陣CCD圖像采集應(yīng)用中，CCD對(duì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序要求較為嚴(yán)格，只有精確的時(shí)序驅(qū)動(dòng)才能保證CCD輸出正確的像素信號(hào)。所以在CCD的應(yīng)用中，首先要設(shè)計(jì)滿足時(shí)序要求的驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)芯片手冊(cè)，該器件工作在5 V驅(qū)動(dòng)脈沖、12 V電源條件下，其中6路驅(qū)動(dòng)脈沖分別是轉(zhuǎn)移脈沖SH、二相驅(qū)動(dòng)脈沖F1和F2、采樣保持脈沖SP、復(fù)位脈沖RS和箝位脈沖CP。

圖2所示為TCD2252D驅(qū)動(dòng)時(shí)序仿真波形，這六路驅(qū)動(dòng)時(shí)序有著嚴(yán)格的時(shí)序關(guān)系。轉(zhuǎn)移脈沖SH高電平期間驅(qū)動(dòng)脈沖F1必須為高電平，而且SH的下降沿必須對(duì)應(yīng)F1的高電平才能保證光敏區(qū)的信號(hào)電荷向模擬移位寄存器并行轉(zhuǎn)移。驅(qū)動(dòng)脈沖F1和F2是兩個(gè)占空比為1∶2、頻率為0.5 MHz且極性相反的方波脈沖；SP、RS、CP均是占空比為1∶8、頻率為1 MHz的方波脈沖。SH脈沖的周期決定了光積分時(shí)間的長短。由于CCD正常輸出時(shí)會(huì)有76個(gè)啞元像素和2 700個(gè)有效像素，所以在一個(gè)行周期內(nèi)至少要有2 776個(gè)RS脈沖，從而可以計(jì)算出每次光積分所需的時(shí)間為TSH＞2 776TRS=2 776μs。為了保證后續(xù)AD9826對(duì)CCD信號(hào)的有效采樣，在仔細(xì)分析CCD輸出信號(hào)特點(diǎn)后，設(shè)置一個(gè)RS上升沿計(jì)數(shù)器，當(dāng)該計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到64時(shí)置1，AD9826開始對(duì)CCD有效輸出信號(hào)進(jìn)行相關(guān)雙采樣。

圖2 TCD2252D驅(qū)動(dòng)時(shí)序

TCD2252D需要5 V的CMOS驅(qū)動(dòng)電平，但FPGA輸出為3.3 V的TTL電平，因此需要使用電平轉(zhuǎn)換電路增強(qiáng)FPGA輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。TI公司研發(fā)的電平轉(zhuǎn)換芯片SN74LVC4245能實(shí)現(xiàn)8位總線的3.3 V和5 V邏輯電平的雙向轉(zhuǎn)換，工作頻率高達(dá)10 MHz，能滿足本系統(tǒng)CCD驅(qū)動(dòng)頻率1 MHz的要求。

1.3 信號(hào)處理模塊

由于CCD輸出的是帶有暗電流噪聲和輸出放大器復(fù)位脈沖串?dāng)_的模擬信號(hào)，因此必須進(jìn)行信號(hào)處理才能為后續(xù)電路使用[3]。本系統(tǒng)中，使用ADI公司生產(chǎn)的專用CCD信號(hào)處理芯片AD9826，該芯片集成16位ADC，速度可達(dá)15 MS/s。作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其片內(nèi)集成相關(guān)雙采樣（Correlated Double Sampler，CDS）等多種功能電路，提高了信號(hào)預(yù)處理的質(zhì)量，簡化了電路的設(shè)計(jì)。

AD9826由VINR、VNG、VINB三路獨(dú)立采樣通道電路組成，每個(gè)采樣通道都由輸入箝位電路、相關(guān)雙采樣電路、偏移DAC和可編程增益放大器組成，并通過多路復(fù)用（MUX）接入一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣輸出信號(hào)通過8位并行數(shù)據(jù)總線分時(shí)輸出16位數(shù)據(jù)。此處系統(tǒng)設(shè)計(jì)只取一路線陣CCD輸出，選擇VINR紅色通道作為信號(hào)輸入，采用單通道CDS和16 bit轉(zhuǎn)換模式。CCD輸出R信號(hào)經(jīng)過隔直電容，將有效信號(hào)耦合輸入到AD9826中VINR通道采樣，其他兩個(gè)通道要做接地處理，以防止對(duì)VINR通道產(chǎn)生干擾，如圖3所示。

圖3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路接口

AD9826的工作模式可通過三線雙向串行接口（SCLK、SLOAD、SDTATA）配置內(nèi)部寄存器來設(shè)定。串行時(shí)鐘SCLK最高頻率為10 MHz，系統(tǒng)采用5 MHz頻率，由主時(shí)鐘50MHz分頻可得。CCD輸出信號(hào)幅值為0～4 V，不需要AD9826內(nèi)部增益放大。

AD9826工作在單通道CDS工作模式下，CDS電路在每一像素周期內(nèi)對(duì)輸入的CCD信號(hào)采樣兩次。CDSCLK1的下降沿采樣參考信號(hào)，CDSCLK2的下降沿采樣有效信號(hào)。CDS電路輸出的是兩次采樣值之差，消除了噪聲，此時(shí)信號(hào)即為有效視頻信號(hào)。

分析CCD輸出信號(hào)特點(diǎn)，F(xiàn)PGA內(nèi)部產(chǎn)生AD9826的工作時(shí)序，確保對(duì)CCD輸出信號(hào)的正確采樣。CCD連續(xù)輸出2 700個(gè)有效像素單元信號(hào)之前，先輸出64個(gè)啞元信號(hào)，此處在CCD第64個(gè)復(fù)位脈沖上升沿到來后FPGA設(shè)置采樣使能信號(hào)cds_en有效。考慮到單通道CDS模式下，模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會(huì)延遲3個(gè)采樣時(shí)鐘周期輸出，在第2 768個(gè)復(fù)位脈沖上升沿后拉低采樣使能cds_en，這樣才能采集到完整的2 700個(gè)CCD像素信號(hào)。由于TCD2252D輸出像元頻率為1 MHz，AD9826的相關(guān)雙采樣時(shí)鐘CDSCLK1、CDSCLK2和采樣時(shí)鐘ADCLK都設(shè)置為1 MHz。

1.4 數(shù)據(jù)緩存模塊

數(shù)據(jù)緩存模塊的功能是保證數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)倪B續(xù)性。由于USB接口芯片的傳輸速率和A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)速率不同步，需要在兩者之間增加一個(gè)數(shù)據(jù)緩存單元。目前常用的數(shù)據(jù)緩存器件有SRAM、雙口RAM、FIFO等。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，常使用異步FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，但只能對(duì)FIFO順序地讀/寫數(shù)據(jù)。當(dāng)需要存取特定單元的數(shù)據(jù)而非全部存儲(chǔ)空間時(shí)，系統(tǒng)的靈活性大大降低。因此本設(shè)計(jì)采用雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，較好地解決了時(shí)鐘不匹配的問題。

為了有效利用FPGA片內(nèi)資源，簡化電路設(shè)計(jì)，本文在FPGA內(nèi)部定制雙口RAM來緩存模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)。EP4CE6E22C8內(nèi)部集成了30個(gè)M4K RAM塊，足夠CCD輸出一幀圖像數(shù)據(jù)（2 700×16 bit）的緩存。此處在FPGA內(nèi)部配置深度為4 096、位寬為16 bit的雙口RAM。寫時(shí)鐘和AD9826的采樣時(shí)鐘ADCLK一致，寫地址計(jì)數(shù)到2 699時(shí)，開始讀RAM。讀時(shí)鐘與寫USB端點(diǎn)FIFO的時(shí)鐘IFCLK一致，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院头€(wěn)定性。

1.5 USB接口模塊

USB接口模塊的功能是將FPGA內(nèi)部緩存的圖像數(shù)據(jù)讀出來，傳輸給上位機(jī)。USB電路設(shè)計(jì)的主要對(duì)象是USB接口控制芯片。目前，市場上多家半導(dǎo)體廠商提供USB接口控制芯片。本系統(tǒng)采用Cypress公司的EZUSB FX2系列USB接口控制芯片CY7C68013來傳輸圖像數(shù)據(jù)。CY7C68013是一款具有USB2.0協(xié)議的微控制處理器，最高傳輸速率可達(dá)480 Mb/s，其片內(nèi)集成USB2.0收發(fā)器、增強(qiáng)型的8051控制器、智能串行接口引擎（SIE）、4 KB的FIFO存儲(chǔ)器和可編程I/O接口。

由于FX2芯片集成度高，用戶在不熟悉復(fù)雜的USB底層協(xié)議的情況下也可以順利開發(fā)USB接口設(shè)備。FX2有Slave FIFO和GPIF兩種接口方式。此處采用Slave FIFO接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在該模式下，F(xiàn)PGA作為主機(jī)，與USB通信傳輸數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU的控制，而是經(jīng)過芯片內(nèi)部端點(diǎn)FIFO來傳輸，傳輸速度和CPU使用率更高。CY7C68013與FPGA的接口電路如圖4所示，CY7C68013的并行數(shù)據(jù)引腳和控制狀態(tài)引腳直接與FPGA接口相連即可。

圖4 FPGA與FX2接口電路

USB接口設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)FPGA對(duì)USB接口芯片的邏輯控制[4]。FX2工作于Slave FIFO模式時(shí)，F(xiàn)PGA可以像對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2中端點(diǎn)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫。FPGA提供給芯片普通的時(shí)序信號(hào)、握手信號(hào)、讀寫信號(hào)和輸出允許信號(hào)。本系統(tǒng)FX2工作于同步寫方式，接口時(shí)鐘由FPGA提供。當(dāng)SLWR有效時(shí)，F(xiàn)D總線上的數(shù)據(jù)在每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)IFCLK上升沿時(shí)被寫入FIFO。

FPGA程序中采用狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)同步寫Slave FIFO方式，狀態(tài)描述如下：（1）IDLE：總線空閑，當(dāng)雙口RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定深度時(shí)，寫事件發(fā)生，轉(zhuǎn)到狀態(tài)state1；（2）state1：指向IN FIFO端口，激活FIFOADR[1：0]，選擇端點(diǎn)6，然后轉(zhuǎn)向狀態(tài)state2；（3）state2：判斷FIFO“滿”標(biāo)志FLAGB的狀態(tài)，如果為假，即FIFO不滿，則轉(zhuǎn)向狀態(tài)state3，否則停留在該狀態(tài)；（4）state3：寫數(shù)據(jù)到總線上，激活SLWR，寫數(shù)據(jù)到FIFO并增加FIFO指針，然后轉(zhuǎn)向狀態(tài)state4；（5）state4：檢測是否有更多的數(shù)據(jù)要寫，如果有則轉(zhuǎn)向狀態(tài)state2，否則轉(zhuǎn)向狀態(tài)IDLE。

1.6 上位機(jī)模塊

上位機(jī)用來檢測USB設(shè)備的連接狀態(tài)，顯示采集到的CCD數(shù)據(jù)。上位機(jī)采集有兩個(gè)采集模式：實(shí)時(shí)采集模式連續(xù)地接收來自CCD的圖像數(shù)據(jù)并顯示；單幀采集模式單次接收來自CCD的圖像數(shù)據(jù)并顯示。保存數(shù)據(jù)將當(dāng)前顯示的一幀像素?cái)?shù)據(jù)保存在安裝目錄下。

正常情況下，系統(tǒng)的USB設(shè)計(jì)包括三個(gè)方面的程序設(shè)計(jì)：固件程序設(shè)計(jì)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和上位機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[5]。Cypress公司為開發(fā)者提供了完善的軟件開發(fā)工具包，開發(fā)者只需在官方例程固件框架上修改TD_Init函數(shù)即可變?yōu)樽约旱墓碳劣赨SB驅(qū)動(dòng)程序可以使用工具包自帶的通用驅(qū)動(dòng)程序，只需將驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)文件中對(duì)應(yīng)的VID和PID修改成與固件一致即可。上位機(jī)程序在VS2008環(huán)境下開發(fā)，用戶可以使用CYIOCTL控制函數(shù)類和CyAPI控制函數(shù)類來實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在室光條件下，系統(tǒng)以線陣CCD作為圖像傳感器，采集外界圖像信息。當(dāng)雙口RAM中一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完信號(hào)和讀使能信號(hào)有效時(shí)，USB接口芯片開始傳輸CCD圖像數(shù)據(jù)，送給上位機(jī)顯示。圖5為線陣CCD傳感器部分遮光時(shí)采集到的一幀圖像，圖中低電平為CCD被遮部分的光強(qiáng)分布。由采集到的數(shù)據(jù)和上位機(jī)顯示可以看出采集系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)CCD數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

圖5 CCD采集上位機(jī)顯示

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于FPGA的線陣CCD實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，以線陣CCD作為圖像傳感器，使用CCD專用信號(hào)處理芯片AD9826對(duì)CCD信號(hào)去噪并實(shí)現(xiàn)高速A/D轉(zhuǎn)換，同時(shí)用USB接口芯片完成CCD數(shù)據(jù)的傳輸，最后在上位機(jī)上顯示采集的圖像數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用集成了相關(guān)雙采樣、可編程增益放大器的專用CCD處理芯片，而不是像以往那樣采用分立元件搭建模擬處理電路，并且充分利用FPGA內(nèi)部RAM作數(shù)據(jù)緩存，簡化了電路設(shè)計(jì)，減小了功耗，增加了系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)擴(kuò)展性較強(qiáng)，適用于機(jī)器視覺、非接觸測量等領(lǐng)域。

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

[2]陸榮鑑，陳豐饒.基于CPLD的彩色線陣CCD在木板色選系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程，2012（6）：737-740.

[3]黃濤，廖勝，韓維強(qiáng).基于AD9978A雙通道的CCD相機(jī)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39（3）：57-60.

[4]辛鳳艷，孫曉曄.基于FPGA和線陣CCD的高速圖像采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（8）：205-207，212.

[5]薛圓圓，趙建領(lǐng).USB應(yīng)用開發(fā)寶典[M].北京：人民郵電出版社，2011.

Image real-time acquisition system based on FPGA and linear CCD

Zhang Jinmin，Zhang Jing，Chen Mengwei
（College of Science，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China）

This paper presents a real-time image acquisition system which based on the linear CCD of FPGA.In the system，TCD2252D，the linear CCD，is used as image sensor，and AD9826，a complete analog signal processor for CCD，is used to sample the CCD analogy signal and realize high-speed A/D conversion，then CCD digital data are transferred to computer through USB interface chip，displayed in real time.The whole system consists of CCD driving module，CCD signal processing module，dual-port RAM module and USB interface module.The system can realize accurate acquisition，display and storage of CCD output pixel combined with USB application program.The result shows，the system can acquire and display the CCD image in real-time，and USB transmission speed can reach 28 MB/s.

real-time acquisiton；CCD；FPGA；signal processing

TN36

A

1674-7720（2015）13-0042-03

2015-02-06）

章金敏（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：光電檢測與圖像處理。

張菁（1990-），女，碩士研究生，主要研究方向：顏色識(shí)別與算法研究。

陳夢(mèng)葦（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：光電信號(hào)處理、位移傳感器研究。