基于线阵CCD的长距离传输外总线的设计

摘 要: 介绍了线阵" title="线阵">线阵 CCD光积分时间的自适应控制原理,推出了外总线接口电气协议,完成了单同轴电缆双向时分复用" title="时分复用">时分复用 传输外总线的设计,满足了长距离传输的工程实用要求。
?? ?关键词: 线阵CCD? 光积分时间? 外总线? 自适应控制

线阵CCD在图像传感和测量技术领域的应用中发展极为迅速。为满足自适应测量的工程化需要,设计出了基于线阵CCD的单同轴电缆双向时分复用传输外总线。
在数据采集测量系统中,CCD视频信号的最大幅度需要调理到ADC的满量程。CCD信号的最大幅值的决定因素有三个:CCD器件的光电灵敏度、光积分时间和光照度。在选定CCD器件后,该值只取决于光积分时间和光照度。
在不同工作现场和工作现场的不同时段,光强是经常变化的,如果CCD器件的光积分时间固定,则光照度的变化将导致CCD视频输出" title="视频输出">视频输出 信号幅值的变化。而实际上所希望的是,在光照度变化的情形下,应保持视频输出信号最大幅值稳定,这可通过光积分时间的自适应控制来实现。
在CCD信号采用二值化数据处理和像元细分处理过程中,一帧数据中被检测对象的量测信息往往在边界特征和像元信号的幅度最值位置,故光积分时间的改变不影响静态被测量。
1 CCD器件驱动简介^[1]
现以TOSHIBA的TCD1501C为例进行介绍,其驱动脉冲波形如图1所示。

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当SH信号为低电平时,Φ1(包括Φ_1O和Φ_1E)电极下的势阱和存储栅势阱隔离,CCD处于光积分状态;当SH为高电平时,SH电极下形成的深势阱沟通了存储栅势阱和Φ₁电极下的势阱,信号电荷包全部转到移位寄存器,而后在Φ_1E,O,B和Φ_2E,O,B脉冲的作用下依次移位,最后经输出电路由OS端输出。
SH的脉冲周期即为光积分时间。以像元信号的幅值为被控制量,通过改变SH的脉冲周期使视频输出的幅度最值保持在ADC的满量程,从而实现光积分时间的自适应控制。
2 系统组成^[2]
该采集系统包括三大部分:CCD传感头、信号采集板和微型机。传感头和采集板之间采用单同轴电缆作为双向复用传输总线^[3],其原理框图如图2所示。

CCD的各驱动信号由CPLD产生,视频输出经过驱动器进入同轴电缆。信号采集板通过ISA口和微机接口,板上采用FPGA作为电路的逻辑控制器,光积分脉冲由FPGA产生,其周期的调节由FPGA的VHDL软件或微机采集软件控制。在接口协议的调控下,将CCD视频信号和光积分脉冲信号双向时分复用单同轴电缆作为信号和控制的传输总线。
3 总线的电气接口原理
CCD传感头中晶振选定后,Φ₁和Φ₂的信号频率也随之确定,CCD像元视频信号移位输出时间也就固定了。例如:TCD1501C共5076个像元(除5000个曝光像元外,还有前64个和后12个哑元),晶振频率为20MHz,CPLD输出的Φ₁和Φ₂频率为2.5MHz,视频输出速率为5MHz,所以一帧CCD信号输出时间为5076/5MHz=1.0152ms。如果光积分时间为2ms,则在剩余近1ms的时间内,CCD输出的是空操作,视频信号幅值接近箝位高电平。总线原理和控制信号" title="控制信号">控制信号 定时关系图如图3所示。

系统在上电初始状态设置同轴电缆两端开关电平,使光积分通道开通。从定时关系中可见,光积分脉冲的下降沿启动ISA板和CCD传感头内部逻辑计数器,同时使电缆两端开关控制信号由光积分通道切换到CCD信号通道。因为CCD器件首先输出的是一定数量的哑元信号,所选择的SPDT(单刀双掷)开关的开关切换时间远远小于前面哑元信号的总输出时间,故开关切换到CCD信号通道的时间对于曝光像元信号的输出没有任何影响。当计数到5076或5064(不计后12个哑元)时,电缆两端两开关控制信号再次变换极性,使电缆切换到光积分脉冲信号通道。其实,只要在下一个光积分脉冲到来前的空操作的任何时刻完成通道切换即可。
原本最显然且直接的设计方案是采用另一条规范的总线(比如422总线)来专门传输由ISA板输出的光积分控制信号,而由CCD视频信号独占同轴电缆,这样也可满足工程化的要求;而且422总线的双绞线在恶劣环境下的传输距离" title="传输距离">传输距离 和抗干扰性能也令人可以接受。
不过比较来说,单同轴电缆双向复用总线更有优越性。
第一,原理更加简洁实用,其接口协议比422接口协议还简单;
第二,两端切换开关的介入并不影响视频信号的传输,而且开关的切换是在一帧CCD信号的两端外,其可能产生的瞬变电压或电压波动影响不到整帧有效信号;
第三,控制信号的产生也很方便。熟悉VHDL或Verilog语言的人都清楚,在CPLD或FPGA编程中,新增一个计数器(或本来设有计数器)并增加几条计数判断控制指令,锁定外部一管脚输出控制信号,就实现了SPDT开关控制功能;
第四,总线带宽和传输距离的优越性明显,与同轴电缆达400MHz的带宽和300m～500m的传输距离相比,双绞线显然逊色;
第五,节省外部连接线,安装简单。例如。一块ISA采集板采集4路CCD传感头,如果采用422总线接口传输光积分脉冲,则需要4组共8根双绞线,而采用单同轴电缆双向时分复用传输总线,则用4根同轴电缆就够了,连接操作也再简单不过;
第六,同轴电缆抗干扰性也比双绞线好,更好地满足了工程实用化的严格要求。
该单同轴电缆双向复用传输外总线已经应用于高精度CCD角度传感器的数据采集系统中。

参考文献
1 王庆有.CCD应用技术.天津:天津大学出版社, 2000:30～74
2 高福祥,张 君.接口技术.沈阳:东北大学出版社, 1999:51～55
3 张化朋,吴大勇,魏 平.可长距离驱动的线阵CCD数据采集系统.电子技术应用,1999;21(2):56～574