基于FPGA和USB的面陣CCD圖像采集系統設計

楊勇奇 王典洪 徐朝玉 倪效勇 羅林波

摘 要： 設計一種以Sony面陣CCD器件ICX618為傳感器的實時圖像采集系統。該系統采用FPGA作為控制核心，由AD9945芯片對CCD的輸出信號進行相關雙采樣處理和A/D轉換，經USB接口完成數據的高速傳輸，最后由上位機對數據進行處理和顯示。實驗表明，設計的CCD圖像采集系統在40 f/s的幀頻下工作穩定，系統性能好、成本低、可靠性高，具有較好的實用價值，能夠為其他型號CCD的應用提供參考。

關鍵詞： 圖像采集； 面陣CCD； FPGA； USB； 傳感器； 數據高速傳輸

中圖分類號： TN386.5?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0022?04

Abstract： A real?time image acquisition system with the area array CCD ICX618 made by Sony as the sensor is designed. In the system with FPGA as the control core， the AD9945 chip is used to perform the related double sampling processing and A/D conversion for output signals of the CCD. The USB interface is used to complete high?speed data transmission， and data is processed and displayed on the upper computer. The experimental results show that the designed CCD image acquisition system can work stably at the frame frequency of 40 f/s， has good performance， low cost， high reliability， and good practical value， and can provide a reference for the application of other types of CCDs.

Keywords： image acquisition； area array CCD； FPGA； USB； sensor； high?speed data transmission

0 引 言

CCD是一種能將光信號轉變為電信號的探測器件，鑒于其體積小、功耗低、動態范圍大、響應速度快等優點，在圖像傳感和圖像檢測領域得到廣泛應用[1]。在X射線衍射儀（X?Ray Diffraction，XRD）中，利用面陣CCD替代測角儀是實現儀器便攜式應用的關鍵技術[2]，但應用于X射線波段的科研級大面陣CCD價格十分昂貴，單片價格達到數萬元，而且其內部工藝復雜，對控制電路要求極其嚴格，容易因為控制不當造成損壞[3]。采用工業級的CCD搭建一個圖像采集系統，為科研級面陣CCD的應用提供一個前期驗證的參考模型是非常必要的。本文設計了一套實時圖像采集系統，采用FPGA為系統控制核心，以CCD為圖像傳感器，經AD9945實現高速A/D轉換，通過USB接口連接FPGA和計算機完成數據和命令的傳輸，最后在上位機程序中實時顯示采集的圖像數據。

1 系統硬件設計

系統架構如圖1所示，該系統硬件架構圖由CCD圖像傳感器、FPGA、信號處理電路和USB接口組成。

系統上電后，首先完成FPGA內各模塊參數的初始化。當FPGA接收到采集命令后，輸出CCD的驅動時序，CCD在驅動時序的控制下輸出光電轉換后的模擬電壓。其經射極跟隨器后對AD9945芯片進行相關雙采樣和A/D轉換，轉換結果經FPGA緩存和處理后傳輸至USB芯片內置的FIFO中。當FIFO達到給定深度時自動向計算機發送存儲的數據，上位機對接收的數據進行存儲、處理，最終實現圖像的實時顯示。

1.1 FPGA驅動及控制模塊

系統選用的是Altera公司的Cyclone Ⅱ系列的EP2C8T144C8N 芯片。其性價比高，擁有8 256個邏輯單元，144個I/O口，可滿足系統的要求。FPGA是整個系統的核心，主要負責各芯片的初始化參數配置、CCD驅動時序的產生、A/D采樣的控制、采樣數據的預處理以及與USB接口的通信。

1.2 CCD驅動模塊

CCD選用的是一款由Sony公司生產的ICX618面陣圖像傳感器，其總像素為692（V）×504（H），采取隔行掃描方式允許所有像素信號在[160] s讀出，可以通過電子快門控制芯片的曝光時間長短，其具有高分辨率、高靈敏度、低暗電流噪聲的特性[4]，非常適合作為圖像傳感器件。CCD的技術應用中其驅動電路的設計是最為關鍵的技術。只有符合器件要求的驅動信號才能有效轉移CCD的光生電荷，這直接影響成像質量。因而根據器件的驅動要求設計出規范合理的驅動電路顯得尤為重要，設計的驅動電路如圖2所示。

根據手冊要求，ICX618需提供10路驅動時序，分別為6路垂直轉移信號、2路水平轉移信號、1路復位信號、1路積分控制信號。垂直轉移信號中[V?1]和[V?4]要求為-5.5 V，0 V兩個等級，[V?2A/B]和[V?3A/B]要求為-5.5 V，0 V，15 V三個等級。由于FPGA輸出的TTL電平為0 V，3.3 V兩個等級，故引入XSG1，XSG2與垂直信號相組合，配合垂直時鐘驅動芯片CXD1267得到三個等級的輸出。水平轉移信號[H?1]和[H?2]以及復位信號[?RG]可由FPGA直接驅動，這里使用ACT04芯片將輸入信號反向，使其與垂直信號相統一。

1.3 信號處理模塊

信號處理模塊包括射極跟隨器和A/D轉換電路。CCD的輸出接一個射級跟隨器，起到緩沖輸出提高負載的作用，以減少與A/D轉換電路直接相連帶來的影響，增強系統的抗干擾能力[5]。A/D采樣選用ADI公司的AD9945芯片完成，該芯片是一款針對逐行掃描面陣型CCD而設計的信號處理器。其內部集成了可調增益放大（VGA）、黑電平鉗位、CDS以及12位高速A/D轉換等功能[6]。上電后，FPGA通過三線串行接口對AD9945的內部寄存器進行設置，主要設置鉗位電平和VGA增益等級。工作時，相關雙采樣電路在每一像素周期內對輸入的CCD信號[7]采樣兩次，一次為復位后保持的電平，一次為有效信號的電平，兩者分別對應采樣時序信號SHP和SHD，經過差分消除了噪聲干擾，得到了質量較高的有效信號，同時給芯片輸入光學黑電平和空白像素的時序信號，以進一步消除暗電流噪聲的影響。通過一系列的采樣處理，最終得到12位的數字信號傳輸給FPGA，進行數據的緩存和預處理。

1.4 USB接口模塊

選用USB作為圖像系統的通信接口，是因為其兼容性好、支持熱插拔、成本低、傳輸速率高等優點，理論上最高傳輸速率為480 MB/s，完全滿足實時圖像傳輸要求。本設計中選用Cypress公司生產的CY7C68013A芯片，其內部集成了USB 2.0協議的處理器、增強型8051內核， 8.5 kB的RAM和4 kB的FIFO存儲器等，用于數據傳輸的主要有兩種模式：GPIF和Slave FIFO[8]。由于不考慮內部CPU處理，只利用芯片的傳輸功能，故選擇Slave FIFO模式更利于圖像數據的高速傳輸。USB接口電路如圖3所示，FPGA可與CY7C68013A芯片直接相連，通過固件程序配置芯片為同步Slave FIFO寫模式，即由FPGA提供芯片的時鐘信號（IFCLK），

系統中設置與像素采樣頻率一致為16 MHz。SLWR是數據寫入FIFO的控制信號，當其有效時，數據總線上的數據才會在時鐘信號IFCLK的上升沿被寫入FIFO，所以控制SLWR有效信號出現的時間作為有效圖像信號的范圍，而無需添加圖像的幀頭幀尾結構就能準確得到一幀圖像，這樣有利于減少數據傳輸量并提高圖像幀率。ON/OFF是圖像采集開啟與關閉的控制信號。SCLK和SDAT是USB芯片與FPGA串行通信的時鐘和數據線。FULL是USB芯片內部FIFO滿狀態標識，當FPGA向FIFO發送的數據達到滿狀態時該標識位會發出相應的指示狀態。系統中FIFO設置為四重緩沖，512 B的緩沖區，滿標識為低電平有效。

2 系統軟件設計

系統軟件設計包括FPGA程序、USB固件程序、USB設備驅動程序和上位機程序。各程序基于不同的軟件編寫平臺和語言編寫，彼此相互配合，共同完成圖像采集工作。

2.1 FPGA程序

FPGA程序使用Quartus Ⅱ軟件以VHDL硬件描述語言編寫，采用自上而下模塊化的編程方法，主要分為ICX618驅動時序產生模塊、USB串行通信模塊、AD9945配置模塊、數據發送模塊、倍頻模塊。這里主要介紹ICX618驅動時序產生模塊：FPGA的主時鐘采用40 MHz，像素讀出時鐘由PLL分頻產生為16 MHz，又由于水平轉移信號H1，H2和復位信號RG是在每個像素周期內的不同時間產生，因此以160 MHz的時鐘進行計數，一個像素周期被放大10倍，這樣可以精確地控制水平和復位信號出現的位置和占空比。芯片每行分為780個像素時序，用cnt表示，共有512行，用cnt_line表示。當cnt計數滿779時自動清零，cnt_line自動加1，表示一行數據傳輸完成。當cnt_line計數滿511時自動清零，表示一幀圖像數據傳輸完成。圖像分辨率設計為640×480，因此取cnt_line>15且cnt_line<495，cnt>=140且cnt<780時為有效像素輸出。通過cnt和cnt_line兩個變量的不同取值，就可以得到各個驅動信號在不同階段的輸出情況。不同階段是指根據ICX618 CCD的工作原理而劃分的幾個狀態：空閑（idle）、光積分（integration）、幀轉移（transfer）、像素讀出初始化（init_readout）、像素讀出（read_out）。狀態間的轉移也是通過cnt和cnt_line的組合變量進行的。用Modelsim進行功能仿真和時序仿真，圖4為驅動時序仿真結果。圖中劃分出了時序所對應的狀態， XSG1和XSG2只有在Transfer階段產生50個時鐘周期的低電平，目的是控制[V?2A/B ]和[V?3A/B]產生15 V的脈沖，將光積分區的電荷全部轉移到垂直寄存器中；其他階段，水平信號H1，H2保持不變時，垂直轉移信號（XV1，XV2，XV3，XV4）發生改變，將電荷轉移到水平寄存器中，垂直信號保持不變時，水平信號H1，H2交替變化，將水平寄存器中的電荷逐個輸出。

2.2 USB驅動程序

USB驅動程序是計算機與外部設備通信的前提條件，如果缺失或存在缺陷，會導致外部設備無法識別或者功能無法實現。本設計中使用的芯片由Cypress公司提供通用的USB驅動程序，主要包含驅動程序Cyusb.sys和INF文件Cyusb.inf。驅動程序提供應用程序與外部硬件設備的接口以及協調二者之間的關系，一般無需作更改[9]。INF即設備信息文件，用來指示安裝Windows驅動程序（.sys），包含相應USB設備的詳細信息和所使用的驅動程序。只需將USB設備的VID/PID值添加到INF文件的適當位置即可，設計中PID為1002，VID為0505，這樣在USB設備接入計算機時，系統查找與設備ID相一致的INF文件，使用INF文件指示的驅動程序完成與計算機的通信。

2.3 USB固件程序

USB固件程序的主要功能是完成相關寄存器初始化，對各種USB請求進行響應，在響應和中斷中實現具體的功能。Cypress公司提供了USB固件開發的基本框架，因此只需將相關Slave FIFO模式的寄存器配置正確，并在USB請求中添加接收和發送數據以及對I/O口控制的程序即可[10]。主要步驟包括：

1） 在PERIPH.c文件的TD_Init（）函數中將芯片設置為同步Slave FIFO模式，使用端點2進行數據傳輸，方向為自動寫入，相應的寄存器配置為512×4的緩存方式。

2） 在FW.c中添加自定義請求響應以及對應的處理程序，包括：開始采集、初始化寄存器、停止采集、設置積分時間、設置增益等級、設置箝位電平，對應的請求碼分別為0xb2，0xb3，0xb4，0xb5，0xb6，0xb7。

3） 調試編譯成功后生成HEX文件，使用自帶的Hex2bix.exe程序將HEX文件轉換為iic文件，通過CyConsole控制面板將iic文件燒寫到E2PROM中，上電后便執行固件程序。

2.4 上位機程序

上位機應用程序主要完成對圖像系統參數設定、圖像采集過程控制、圖像數據的處理與顯示功能。上位機基于.NET平臺的Visual C#語言進行開發，通過調用動態鏈接庫CyUSB.dll中提供的函數，就能方便地對USB設備進行操作。程序界面分為功能區和圖像顯示區，功能區包含5個按鍵分別是連接USB設備、開始采集、積分時間、增益、鉗位電平。連接USB設備按鍵通過USBDeviceList函數獲取USB設備列表，在列表中將USBDevices[0x0505，0x1002]設定為所用的USB設備，返回值為真時會在軟件界面顯示“已經連接”，然后就可以調用相關函數對USB設備進行讀寫操作。開始采集按鍵控制啟動和關閉數據采集，單獨開啟線程，通過inEndpoint.XferData函數不斷接收EP2端發送來的數據，當接收的數據量達到640×480時對數據進行處理與顯示。

3 實驗結果

系統各部分研制完成后進行功能測試。首先測試CCD驅動電路的工作情況。使用示波器，對經過預處理后的CCD輸出信號進行測試和分析。圖5a）為無光條件下的輸出，圖5b）為強光條件下的輸出。

無光環境時峰峰值電壓為980 mV，而強光環境時峰峰值電壓為1.24 V，可以看到不同條件下，信號幅值變化程度與光照強度成正比，CCD工作正常，因而驗證了驅動電路的正確性。

其次測試系統的整體性能，將設備連接到Windows 32位系統的PC機上，按照提示安裝好驅動程序，硬件被識別后，運行上位機程序，點擊連接設備和開始采集按鈕進行圖像采集。采集的圖像實時顯示在應用程序圖像顯示區，通過調節焦距使得圖像達到最佳顯示效果。圖6是經外加光學鏡頭對焦后顯示的圖像結果。圖像的分辨率為640×480約為30萬像素，可達到40 f/s的采集速度。實驗結果表明系統工作正常，功能完善，可以實現圖像的實時采集、傳輸和顯示。

4 結 語

本文設計了一種以ICX618 CCD為傳感器的圖像采集系統。該系統以FPGA為控制核心，由USB接口進行數據傳輸，開發了上位機軟件用于操控系統和顯示圖像。系統成像質量清晰，具備USB即插即拔的特性，同時有專用的驅動和上位機程序，安裝方便，使用簡單。這樣使得系統具有良好的可移植性，能夠廣泛滿足圖像處理前端數據采集的需求。通過試驗，初步驗證了系統功能可靠性，能夠為科學級CCD的應用提供一種低成本的前期驗證方案。

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