線陣相機模擬前端驅動處理電路設計及應用

廖　飛,龔恒翔,b,梁　霄，韋清臣，尹斌軍，王　燦

(1.重慶理工大學　a.光電信息學院； b.光伏新能源應用技術與設備研究所,重慶　400054)

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線陣相機模擬前端驅動處理電路設計及應用

廖飛a,龔恒翔a,b,梁霄a，韋清臣a，尹斌軍a，王燦a

(1.重慶理工大學a.光電信息學院； b.光伏新能源應用技術與設備研究所,重慶400054)

摘要：為解決定制型線陣相機模擬前端驅動處理電路可復用和可移植問題，在分析TCD1700系列線陣CCD器件工作原理、時序參數相關性和異同點基礎上，對線陣相機模擬前端驅動處理電路進行集成化、IP核化設計，給出了設計邏輯、接口及寄存器定義，使用verilog語言，利用quartusII和modelsim平臺進行了設計建模和仿真測試。最后在cycloneIV器件平臺進行了實現和驗證，并將設計的電路用于盛液管和液位界面檢測實驗。實驗結果顯示：前端處理電路對液位及盛液管特征信息提取準確，電路噪聲抑制效果良好，可復用。

關鍵詞：線陣相機;模擬前端;驅動處理電路;IP核;

線陣相機作為一種精密光電檢測及傳感設備，在科學研究、精密工業制造、交通安全檢測、通用機器視覺、建筑測量、航空航天攝像及測量、新能源光伏檢測等領域有重要應用[1,2-5]。當前，線陣相機以3種形式存在于工程應用中：通用型的工業用線陣相機[2,4]、提供二次開發能力的線陣相機[5-6]、自主設計定制型線陣相機[3]。這3種線陣相機各有特點。通用型線陣相機有良好的性能和穩定性，因其集成度高、成本較高，故在特殊應用和成本敏感的應用中較難發揮優勢；可二次開發的線陣相機軟件擴展性好；定制型線陣相機針對問題單一、安裝設計靈活，可集成硬件加速算法，在處理低照度、表面特征復雜、工作條件頻繁變化的問題時，有獨特優勢。因此，近年來眾多研究者對定制型線陣相機展開研究設計，尤其是在驅動方法、可調參數配置、曝光控制、信號處理、噪聲去除、標定方法等方面做了廣泛研究，推動了定制型線陣相機技術在各行業的應用和發展。

本文針對定制型線陣相機的驅動和信號處理展開研究。驅動和信號處理決定著線陣相機是否工作和工作性能。近年來，研究者們對如何驅動、噪聲去除及抑制、信號處理、應用系統等方面做了較多研究，但對驅動的可重用性設計和信號處理算法的硬化關注較少。本文在前人研究的基礎上，提出一種重用性好、集成度高的線陣相機模擬前端驅動處理IP核邏輯電路設計方法，能較好地克服不同應用中的重復開發工作，為定制型線陣相機的開發提供了一種高效、重用性好的解決方案。

1設計原理分析

1.1TCD1700系列器件差異性及共同點分析

線陣相機多基于線陣CCD、COMS圖像傳感芯片設計，其基本工作原理是單行或多行的光電二極管線性陣列感光，在驅動和信號處理電路作用下獲得感光圖像數據。因生產廠家、器件中光電二極管陣列規模、行輸出速率、電信號輸出電路數量等不同，各型號的具體時序參數相應有差異，設計兼容多家廠商和多種型號的線陣相機驅動和信號處理電路較為困難。本文針對TOSIHBA公司的TCD1700系列展開設計分析，最終在TCD1709D型CCD上實現。

TCD1700系列線陣CCD[7]是典型的雙溝道線陣CCD，在器件單元組成、溝道結構、電極結構、勢阱結構、輸出電路上具有較多相同點。查閱該系列器件的數據手冊及特征參數可以發現，該系列器件的驅動時序信號個數、時序信號類型、時序圖形和驅動時序關系具有極大的相似性。如圖1所示，該系列均具有兩相驅動時序，每相時序包含1～3個相同的時序信號。此外，該系列均具有相似的幀轉移信號、輸出寄存器殘余電荷清除信號、輸出轉換測量電路復位信號。主要區別在于像素個數、像素大小、輸出端口、工作頻率等幾個方面，具體見表1。

表1　TCD1700系列線陣CCD主要參數對比

1.2驅動及處理時序參數相關性分析

TCD1700系列器件的基本工作過程包含兩個階段，光敏單元信號積分階段和電信號轉移輸出階段。積分階段完成光信號到電信號的轉換及電信號的累積兩個過程，其驅動時序受積分時間、工作頻率、輸出像素、輸出端口數量等影響；電信號轉移輸出階段的時序受工作頻率、輸出像素、輸出端口數量影響。綜合考慮兩個基本工作過程，產生復用性好的驅動信號必須包含的共用參數應包含積分時間、工作頻率、每工作周期輸出像素個數、輸出端口數等多個參數。

圖1　TCD1700系列器件的驅動信號時序

TCD1700的輸出信號為模擬制式信號。為更好地濾除器件的KTC復位噪聲、輸出電阻熱噪聲等的影響，完成應用需求對光電圖像信號的處理時，一般需首先完成相關雙采樣(CDS)和模數轉換，然后交由線陣相機后續處理部分完成最終處理，因此還需提供處理時序參數和時序同步參數。對于相關雙采樣及模數轉換，有單芯片和多芯片兩種處理方式。近年來，TI、ADI等廠商對線陣相機和面陣相機所用相關雙采樣及模數轉換做了較多研究，相繼推出了多種單芯片ASIC方案。然而，單芯片ASIC并不能根據輸入模擬信號自適應完成采樣及量化工作，需在同步時序和采樣位置信號控制下完成。因此，考慮到后處理過程的相關性，共用參數還應包括同步參數、采樣控制參數等處理時序參數。

線陣相機的CCD器件驅動時序、輸出時序及后處理時序是線陣相機信號傳感、采集、處理的3個必須階段，并且這3個階段既相互獨立，又相互聯系，有既定的順序和時序，這就需要再次考慮驅動時序參數和處理時序參數間的同步關系。在具體設計驅動處理IP核時，可考慮在IP核內部引入3階段共用的同步信號來輔助建立驅動參數和處理參數間的聯系。

1.3驅動及處理IP核設計

CCD相機的驅動電路設計主要使用4類驅動方式，分別是分離器件驅動、專用時序驅動芯片(ASIC)驅動、可編程器件(CPLD)驅動和現場可編程邏輯門陣列(FPGA)驅動[8-9]。經過多年的發展[10-13]，目前分離器件驅動方式因邏輯復雜、同步困難，已很少采用；專用驅動芯片在面陣相機中使用較多；基于CPLD和FPGA設計的驅動電路因升級修改靈活、可移植性好，在定制型線陣相機中較多采用。另外，FPGA器件可將驅動電路、信號處理算法電路、系統軟件集成在單片器件中，能有效減少線陣相機電路規模。

將線陣相機的驅動處理電路以IP核(知識產權核)的方式設計。將需要配置的驅動時序參數、處理時序參數加以提煉，最終以多個寄存器的方式定義。在設計定制型線陣相機時，可通過片內總線訪問這些已定義的寄存器，從而實現驅動處理電路的復用。

2邏輯電路實現

2.1IP核邏輯結構及接口定義

IP核的邏輯結構及接口定義如圖2所示，包含驅動采集時序驅動邏輯、外部驅動信號接口、總線接口、中斷邏輯、外部數據采集存儲等5部分。時序驅動邏輯用于產生CCD器件和外部模數采樣器件所需驅動時序參數，為統一外部模數采樣驅動及數據處理，本文選擇了ADI公司的AD994X系列器件；外部接口和總線接口如表2、3定義所述，用于上層總線互聯和外部邏輯驅動，FPGA內的總線接口多用AHBA和Avalon兩種。考慮到后續平臺使用NOIS-ii內核，本文采用Avalon總線實現設計。中斷邏輯有利于SOPC系統中對本文設計IP模塊的工作響應和調用。外部數據采集存儲部分涉及模數采樣器件輸入平行數據的采集和存儲，是系統數據鏈路的重要部分。

圖2　IP核整體結構

信號位寬說明Clkm1模塊接口時鐘及功能時鐘rst_n1模塊復位信號,低有效address3寄存器地址write1總線接口寫使能,高有效writedata32寫數據read1讀使能,高有效readdata32模塊總線接口輸出數據irq_ccd1模塊中斷

表3　外部接口信號定義

2.2IP核寄存器及關鍵信號定義

寄存器和關鍵信號是本文IP核設計的重要組成部分。寄存器供用戶訪問配置，可供用戶根據當前情況調整驅動時序參數及控制采樣參數等操作。本文設計的IP核提供了CCD驅動配置寄存器、AFE采樣控制配置寄存器、像素個數配置寄存器、模塊控制寄存器、狀態寄存器、CCD數據寄存器等6個寄存器。圖3描述了IP核內部邏輯及寄存器參數間的關系，同時給出了部分關鍵信號。

圖3　IP內部邏輯及寄存器關系

像素個數配置寄存器控制輸出時序的產生，對IP的工作機制有全局影響。本文設計的IP使用像素計數器產生內核狀態機，從而全局控制時序的產生及處理邏輯的同步。在像素個數確定后，設置CCD驅動配置寄存器可控制積分時間及輸出驅動時序的頻率。AFE驅動配置寄存器根據前述兩個寄存器的參數，同步產生AFE驅動時序，并生成相關雙采樣脈沖。

為保證CCD驅動時序和AFE驅動時序的同步，設置了多個關鍵的同步信號。為統一管理每幀輸出的多個啞元信號和遮蔽信號，設置samplestart信號，用于CCD時序驅動邏輯和AFE驅動時序邏輯的同步。AFE器件內模數轉換采用的是pipeline結構，有多達10個數據時鐘的延遲，因此，需在AFE驅動時序和數據處理邏輯模塊間設置同步時鐘Dataclk_sys。

2.3多通道數據輸入的同步

依據線陣相機使用CCD器件情況，數據處理存儲邏輯的通道個數會有個數差異。因此，為保證處理速度，在設計時引入了多通道FIFO結構(如圖3)，并在數據處理邏輯處設置通道選擇多路器，可主動選擇切換使用單通道數據處理還是多通道數據處理。在相應的片選使能信號CS0.1.2.3信號控制下，將相應通道的輸入數據按設定的時序存儲到FIFO1到FIFO4中。

2.4電路IP核邏輯實現

本文采用verilogHDL語言實現數據邏輯電路設計，以QuartusII和Modelsim為開發工具，使用有限狀態機建模方法，對模擬前端驅動處理IP核進行設計、綜合和仿真驗證。圖4是modelsim仿真波形圖。

圖4　IP核仿真波形

3應用實驗結果及分析

3.1實驗平臺硬件

為驗證線陣相機模擬前端驅動電路的功能和性能，將設計的IP加入線陣相機處理系統，并用于液面及盛液管檢測。實驗平臺硬件架構如圖5所示，盛裝液體的玻璃管放置在光源和線陣相機之間；信息處理系統及設備完成線陣相機觸發和數據采集；PC端采集液面及盛液管光信息數據，并完成檢測結果處理，得到液位、盛液管污染程度、破損、液體相對透光度、液體顆粒度等參數。實驗平臺見圖5，盛液管實驗實物如圖6所示。

圖5　實驗平臺系統組成示意圖

圖6　盛液管實驗實物圖

3.2測試結果及分析

在透明玻璃管中盛裝清水或化學試劑，通過圖5的平臺檢測盛液管，通過線陣相機獲得盛液管的透光信息。在PC端獲得液位和盛液管檢測信號如圖7所示，可見信號整體幅度波動較小：① 位置處信號毛刺較小，與測試使用全新無污損的玻璃管現象相符；② 位置信號對應玻璃管中液體與空氣接觸面，信號銳利，分界明顯；③ 位置對應玻璃管中空氣段，信號波動幅度小，波動多為雜散光引起。最終測試結果顯示：線陣相機的驅動處理電路設計合理，噪聲抑制情況較好。

圖7　液面及盛液管檢測結果

4結束語

對TCD1700系列線陣CCD器件做了共同點和差異性分析，完成了驅動及處理時序參數相關性分析。給出了線陣相機模擬前端驅動處理電路的設計考慮、接口及信號定義、寄存器定義，并使用quartusII和modelsim軟件對電路以IP核方式進行了設計。在Altera的cycloneIV平臺進行了系統實現，在搭建的實驗平臺上完成了測試和功能實現。測試結果顯示，設計的IP核與線陣相機系統兼容性良好，系統運行穩定，測試信號波動幅度小，噪聲抑制效果明顯，可移植，可復用。本研究為定制型線陣相機模擬前端驅動處理電路的設計提供了一種參考設計方案，為工業場合光電檢測和光電特征信息處理提供了參考。后續，將設計的電路IP和線陣相機使用到光伏組件灰塵效應模擬與檢測系統中，并對此技術進行實用性評價。

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(責任編輯楊黎麗)

Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application

LIAO Feia，GONG Heng-xianga, b，LIANG Xiaoa，WEI Qing-chena，YIN Bin-juna，WANG Cana

(a.Department of Optical and Electronic Information;b.Photovoltaic New Energy Applied Technology and Equipment Institute,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:To solve the reuse and portability problem for custom linear camera driving and signal processing circuit, integration and intellectual property (IP) core of linear camera drive and signal processing circuit were designed based on the analysis of the operational principle, timing parameters and differences and similarities between TCD1700 series CCD device, and the definition of design logic, interface and register were given, and the design model and simulation test were built and executed with verilog language and the quartusii and modelsim platfrom. At last, it was implemented and verified in cycloneIV device platform, and the designed circuit was applied in detection experiments of drip tube and liquid level interface. Experimental results show that: the front-end processing circuit can have accurate characteristic information extraction of liquid level and drip tubes and have good effect in circuit noise suppression, which is reusable.

Key words:linear camera; analogy front end; drive and signal processing circuit; intellectual property (IP) core

收稿日期：2015-12-12

基金項目：重慶市科學技術委員會應用技術開發計劃項目(cstc2014yykfB70005)

作者簡介：廖飛(1982—),男,碩士,主要從事數字邏輯電路設計、FPGA嵌入式系統研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.025

中圖分類號：TN364

文獻標識碼：A

文章編號：1674-8425(2016)06-0148-06

引用格式：廖飛,龔恒翔,梁霄，等.線陣相機模擬前端驅動處理電路設計及應用[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(6):148-153.

Citation format：LIAO Fei，GONG Heng-xiang，LIANG Xiao,et al.Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):148-153.