線陣CCD低噪聲測量系統設計

張俊汪濤

（重慶大學物理學院，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、響應速度快、自掃描和光譜響應寬等優點，被廣泛應用于各個領域，包括航空航天、傳媒攝像、工業生產等。隨著光電子技術的不斷發展，測量系統快速采樣、存儲、處理和傳輸是系統新的發展方向。由于線陣CCD實時控制較為容易，而且價格便宜，所以廣泛應用于非接觸的尺寸測量、質量檢驗、自動化及機器人視覺精確定位等等[1]。

1 系統整體結構

本系統由光源、光學鏡頭、被測物、線陣CCD、數據采集與傳輸單元和數據顯示單元構成。當光源的光通過光學鏡頭照射在被測物體上，被測物體的相關信息被線陣CCD記錄下來，由后續的數據采集單元將模擬信號轉換為數字信號，再將數字信號進行處理，最后傳輸顯示在上位機上。

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

圖1 數據采集與傳輸結構圖

2 系統硬件結構

2.1 圖像采集模塊

本系統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光學字符識別)技術[2]。這款CCD靈敏度較高、暗信號電壓較小、動態范圍較大，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路驅動脈沖，由FPGA產生，包括移位脈沖φ1、φ2，信號輸出脈沖φ2B，轉移脈沖SH，復位脈沖RS和箝位脈沖CP。

2.2 模數轉換模塊

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

為了降低CCD信號中的復位噪聲，模擬信號先經過CDS處理[3]。在復位電平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，從而降低復位噪聲。接著通過一個VGA增益放大器來調節信號的大小，可以通過一個10位的串行數字接口編程來設置增益的大小。最后CCD信號經過12位的AD轉換器轉換后，輸出數字信號，并且延遲了10個像素的時鐘。

2.3 FPGA模塊

本系統使用的FPGA芯片為Altera公司的Cyclone 2系列EP2C8Q208C8，通過設計產生CCD和AD的驅動信號，并結合Matlab軟件對數字信號進行低通濾波處理，處理后的信號經過緩存和傳輸，顯示在上位機上。

3 系統軟件設計

根據系統的硬件設計，軟件程序主要包括三個功能模塊：時序功能模塊、濾波功能模塊和數據傳輸功能模塊。

3.1 時序功能模塊

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

3.2 濾波功能模塊

本系統設計了低通濾波器對數字信號濾波，是結合Matlab和FPGA實現的[4]。系統設計的濾波器為有限脈沖響應（Finite Impulse Response，FIR）濾波器，使用窗函數設計方法。CCD輸出信號頻率為1MHz，經AD轉換后數字信號頻率仍為1MHz，所以我們將低通濾波器的截止頻率設為1.2MHz，采樣頻率設為5MHz。通過Matlab設計了一個32階的低通濾波器，系數的量化位數為12比特。量化后得到的濾波器系數為：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，系數呈現出對稱性。

通過Matlab軟件得到濾波器系數后，利用FPGA對數據進行濾波。本系統使用FIR濾波器直線型結構，相當于一個乘累加運算，且乘累加運算的次數由濾波器階數決定。同時累加運算由串行結構來實現，即每級延時單元與相應系數的乘積結果進行累加后輸出，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濾波器系數具有對稱性，所以進行對稱系數的加法運算也由一個加法器串行實現。

3.3 數據傳輸功能模塊

經過濾波后的數字信號先經過存儲器進行緩存，我們設計一個FPGA內嵌的異步FIFO對數據進行緩存處理。由于CCD的信號頻率為1MHz，所以寫時鐘頻率設為1MHz。將串口傳輸速率設為9600bps，則FIFO讀時鐘頻率應大于9600/12Hz，將讀時鐘頻率設為0.8MHz。同時設置空、滿標志信號來判斷何時將數據寫入和讀出FIFO。

從FIFO中傳輸出來的12位并行數據需要轉換為串行數據，才能通過串口上傳至上位機中。需要在FPGA內部設計一個移位寄存器，并行數據傳輸至移位寄存器后，在通過數據緩沖寄存器輸出。

4 系統測試與分析

搭建實驗平臺，進行系統測試。將被測物選為雙縫，其衍射條紋投射在線陣CCD上，通過系統數據采集與傳輸，傳輸至上位機中。我們將未加低通濾波器時采集到的數據保存為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過濾波后的條紋更加平滑，毛刺也相應減少了。

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 結論

本文設計的低噪聲測量系統是基于FPGA技術的，由于FPGA具有運算速度快、配置靈活等諸多優點，提高了系統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測量系統中，例如無接觸位移測量和振動測量等領域。

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

［2］王慶有.CCD應用技術[M].天津:天津大學出版社,2000:30-45.

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

［4］杜勇.數字濾波器的Matlab與FPGA實現[M].北京:電子工業出版社,2014:101-150.