基于TCD1711DG的信號采集系統設計

摘 要： 隨著科技的發展，線陣CCD的性能不斷提高。近年來出現的二相線陣CCD，將光信號轉換為奇偶兩相電荷信號并行輸出，因而其信號轉換速率可達傳統線陣CCD的兩倍左右，但同時其信號采集電路也更加復雜。以二相線陣CCD TCD1711DG為例，采用高速的信號處理器和存儲器，設計了一種針對二相線陣CCD的信號采集與處理系統。該系統的電路結構簡單、集成度高，抗干擾性好。實驗表明，該系統能實現對二相線陣CCD信號的高速采集功能，復現性較高，有實際的應用價值。

關鍵詞： 二相線陣CCD； 并行輸出； 信號采集； 集成化

中圖分類號： TN911.7?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）19?0092?03

Abstract： With the development of science and technology， the performance of linear array CCD is improved continually. The two?phase linear array CCD emerged in recent years can convert the optical signal into the two?phase （odd and even） electric charge signals for parallel output， so its signal conversion rate is nearly twice as much as that of the traditional linear array CCD， and the circuit of signal acquisition is also more complex. Taking the two?phase linear array CCD TCD1711DG as an example， a signal acquisition and processing system for two?phase linear array CCD was designed with a high?speed signal processor and a high?speed memory. The circuit of the system has the characteristics of simple structure， high integration， and good anti?interference ability. The experimental results show that the system can realize the high?speed signal acquisition function for two?phase linear array CCD signal， and has high reproducibility and practical application value.

Keywords： two?phase linear array CCD； parallel output； signal acquisition； integration

0 引 言

電荷耦合器件（Charge?coupled Device，CCD）是20世紀中后期發展起來的一種光電傳感器，可以將光學信號轉換成電荷信號并按像元逐個輸出。按照像元的排列方式，CCD可分為面陣和線陣兩類。由于線陣CCD具有精度高、噪聲低、響應快等特點，目前被廣泛應用于非接觸式測量和圖像掃描等領域[1]。

二相線陣CCD與傳統線陣CCD的區別在于，其將轉換后的一維電荷信號分為相位差180[°]的奇、偶兩路信號并行輸出，從而使得CCD的數據轉換速率相較于單路輸出的線陣CCD提高了近一倍。在CCD測量系統中，CCD信號的采集處理電路是將測量信號轉換為實際觀測量的關鍵部分，影響著整個測量系統的速度和精度。二相線陣CCD在帶來高速轉換速率的同時也對信號采集處理電路提出了新的功能要求：將奇、偶兩路CCD信號按照正確的時序合并為完整的一維信號；對數據量較大的CCD信號進行高速預處理，除去信號中的各種噪聲。傳統做法是采用分立元件搭建的功能電路，對兩路信號分別進行濾波、采樣、放大等預處理 [2]，再分別送入模數轉換器進行A/D轉換[3]，隨后采用加法電路[4]或模擬開關將奇、偶兩路信號整合為一路。但這類方法的電路結構復雜，分立元件較多，工作頻率受硬件限制，易引入干擾。

為解決上述問題，本文采用CCD專用處理器和高速緩存器設計了一種針對二相線陣CCD的信號采集和處理系統，該系統電路結構簡單、集成度高、抗干擾性好、能夠實現對二相線陣CCD信號的高速實時采集和處理功能。

1 系統原理

系統的整體結構如圖1所示。采用東芝公司生產的線陣CCD TCD1711DG作為采集系統的光電傳感器，它包含7 450個有效像元，像元尺寸達到4.7 μm×4.7 μm×4.7 μm，具有高靈敏度和低暗電流，工作時CCD信號分為奇偶兩路電荷同時輸出，自掃描速率典型值為1 MHz（最高可達30 MHz）。團隊前期已設計了積分時間可調的CPLD驅動電路，用來產生TCD1711DG的工作時序[5]，從而驅動CCD進行光電轉換。選擇ADI公司生產的CCD信號專用處理器AD9826直接采集CCD的兩路輸出信號，在一片IC上實現信號預處理、信號整合和模數轉換等功能。并利用讀寫獨立的高速雙端口FIFO，一端連接AD9826以實現A/D轉換數據的實時存儲；另一端連接微處理器，方便其對數據的隨時提取。從而實現系統對二相線陣CCD信號的高速采集和處理功能。

2 電路設計

為簡化電路和減少干擾，本文設計的CCD信號采集和處理系統主要由CCD信號處理器和數據緩存器兩個IC芯片組成，外圍電路簡單，集成度高，有很好的實用性和便攜性，能夠實現二相線陣CCD信號的高速采集和實時存儲功能，方便后續對CCD數據的其他操作。

2.1 信號采集電路

CCD信號采集電路的原理圖如圖2所示。其中，信號處理模塊選擇AD9826，它是一款完整的8/16位CCD信號專用處理器，具有三通道結構，最高轉換速率達15 MSPS。對于二相線陣CCD輸出的奇偶信號，AD9826的雙通道模式能夠通過相應工作時序的驅動自動完成奇偶信號的合并。同時，AD9826內部的每個通道均集成了輸入箝位、相關雙采樣器、偏移DAC和可編程增益放大器等預處理電路，并通過多路復用方式接入一個高性能16位模數轉換器。因此，采用一片AD9826即可實現對兩相線陣CCD信號的采集處理功能，從而大大簡化了系統的電路結構，減少了硬件電路過多帶來的干擾和延時等問題。

AD9826內部含有8個可編程寄存器，可通過三線制串口編程實現功能的設置[6]。多路復用寄存器主要控制輸入通道的采樣順序和雙通道模式的配置，本文配置VINR和VING兩個輸入通道以雙通道模式對CCD信號進行采樣。TCD1711DG的輸出信號需先通過0.1 μF去耦電容除去其中的直流分量，使信號電壓值滿足輸入范圍再送入輸入端。

配置寄存器主要控制操作模式和偏置電平，其具體參數設置如表1所示。CCD信號送入AD9826的輸入端后，先要經過內部采樣器的采樣，采樣器有兩種工作模式，分別為CDS（相關雙采樣）模式和SHA（采樣保持放大器）模式。CDS模式是對各個像元的復位電平和信號電平分別進行采樣，將兩次采樣的差分電平作為真實信號，這種方法能夠消除信號中的復位噪聲和暗電流噪聲，從而提取出像元信號的真實成分。SHA模式是對各個像元信號直接進行電平采樣，無法消除信號中的噪聲成分，且采取此模式時需要搭配外圍的差分、跟隨等預處理電路。因此，本系統選擇CDS模式進行信號采樣。

2.2 數據存儲電路

由于CCD和A/D的工作頻率較高且輸出的數據量較大，單片機等處理器對數據的讀取和處理均需要一定的時間，若將CCD數字信號直接輸出到處理器，勢必會占用大量CPU內存，影響程序的正常運行。因此，本系統采用外部高速緩存器來實時存儲采集的數據，方便處理器隨時讀取，從而使信號采集和數據處理兩部分相互獨立。數據存儲器選擇IDT公司的IDT72V251，它是一種高速低功耗的同步FIFO存儲器，容量為8K[×]9 b，具有獨立的讀寫功能，時鐘最高頻率可達66.7 MHz，完全滿足TCD1711DG輸出信號的存儲要求。另外，由于AD9826的模擬端和數字端具有獨立的供電電源，輸出信號可匹配IDT72V251的電壓，所以信號采集電路與存儲電路之間無需電平轉換，電路結構更加簡單。

3 時序設計

本文采用單片機作為處理器，利用三個I/O口模擬SPI對AD9826的內部寄存器進行編程配置，配置時序如圖3所示。此方法不依賴于處理器是否具有SPI模塊，因而有很好的適用性。

CPLD產生的AD9826工作時序如圖4所示。本文將CCD的轉移脈沖作為AD9826的輸出使能信號OEB，控制采集電路在CCD開始輸出像元信號時實時進行信號采樣和數據輸出。AD9826在ADCCLK時序的下降沿對CCD信號進行采集和轉換，經過3個時鐘周期將數據輸出，IDT72V251在寫時鐘WCLK的上升沿對AD9826輸出數據進行存儲。根據時序要求，本文將ADCCLK時序延時50 ns作為FIFO的寫時鐘WCLK，從而實現CCD信號輸出和數據存儲的同步。

4 實驗結果

在黑暗的光學實驗室中，將激光光點打到CCD的前端區域，由示波器觀察到的輸出波形如圖5（a）所示。同時，采用本文設計的采集系統對CCD信號進行數據采集，利用單片機讀取FIFO中的轉換數據并通過串口傳遞到上位機，并通過Matlab軟件繪制CCD輸出信號的數字量曲線圖，如圖5（b）所示。由于AD9826輸出的是相關雙采樣信號，已經濾除了真實信號中的直流5 V部分并將負極性信號反相[7]，所以繪制的數字量曲線與實際信號的曲線極性相反，通過對比觀察可見奇、偶兩路信號的實際曲線基本一致，且相應的數字量信號曲線也基本一致，說明該采集系統對原始CCD信號的復現性較好。

奇偶像元信號合并后的CCD信號數字量曲線如圖6所示，它反映了光點的實際位置。光點位置一般在CCD信號強度峰值附近，通過觀察圖6曲線得到光點位置約在第1 800像元處，同時在單片機上利用重心算法計算得到的光點位置值為1 850.39，間接證明了該采集系統的信號復現性和一致性較好。

5 結 論

本文以TCD1711DG為例，針對二相線陣CCD輸出信號的特點和采集處理電路存在的問題，選擇高速完整的信號處理器和高速存儲器，設計了一種針對二相線陣CCD的高速信號采集處理系統，該系統電路結構簡單且集成度高，很好地解決了二相線陣CCD復雜的信號處理問題，實現了CCD信號的高速實時采集和處理功能，具有廣泛的應用價值，目前本系統已應用于地震前兆觀測儀器中。

參考文獻

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[3] 張林，李永新，胡學友.基于相關雙采樣技術的CCD視頻信號處理研究[J].宇航計測技術，2007，27（2）：33?37.

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[5] ZHAN W W， LU H Y， CAI L， et al. Design of CCD driver for quartz horizontal pendulum tiltmeter based on CPLD [C]// Proceedings of the Ninth International Symposium on Precision Engineering Measurement and Instrumentation. Changsha， China： SPIE， 2015： 9446?9452.

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[7] 譚露雯，李景鎮，陸小微，等.基于CPLD工作模式可調的線陣CCD驅動電路設計[J].光子學報，2010，39（3）：436?440.