基子線陣CCD的長(zhǎng)距離傳輸外總線的設(shè)計(jì)

線陣CCD在圖像傳感和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)欣極為迅速。為滿足自適應(yīng)測(cè)量的工程化需要，設(shè)計(jì)出了基于線陣CCD的單同軸電纜雙向時(shí)分復(fù)用傳輸外總線。

在數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)中，CCD視頻信號(hào)的最大幅度需要調(diào)理到ADC的滿量程。CCD信號(hào)的最大幅值的決定因素有三個(gè)：CCD器件的光電靈敏度、光積分時(shí)間和屯照度。在選定CCD器件后，該值只取決于光積分時(shí)間和光照度。

    在不同工作現(xiàn)場(chǎng)和工作現(xiàn)場(chǎng)的不同時(shí)段，光強(qiáng)是經(jīng)常變化的，如果CCD器件的光積分時(shí)間固定，則光照度的變化將導(dǎo)致CCD視頻輸出信號(hào)幅值的變化。而實(shí)際上所希望的是，在光照度變化的情形下，應(yīng)保持視頻輸出信號(hào)最大幅值穩(wěn)定，這可通過(guò)光積分時(shí)間的自適應(yīng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在CCD信號(hào)采用二值化數(shù)據(jù)處理和像元細(xì)分處理過(guò)程中，一幀數(shù)據(jù)中被檢測(cè)對(duì)象的量測(cè)信息往往在邊界特征和像元信號(hào)的幅度最值位置，故光積分時(shí)間的改變不影響靜態(tài)被測(cè)量。

1 CCD器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介

現(xiàn)以TOSHIBA的TCDl501C為例進(jìn)行介紹，其驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖1所示。

    當(dāng)SH信號(hào)為低電平時(shí)，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)電極下的勢(shì)阱和存儲(chǔ)柵勢(shì)阱隔離，CCD處于光積分狀態(tài)；當(dāng)SH為高電平時(shí)，SH電極下形成的深勢(shì)阱溝通了存儲(chǔ)柵勢(shì)阱和Φ1電極下的勢(shì)阱，信號(hào)電荷包全部轉(zhuǎn)到移位寄存器，而后在Φ1E，O，B和Φ1E，O，B脈沖的作用下依次移位，最后經(jīng)輸出電路由OS端輸出。

SH的脈沖周期即為光積分時(shí)間。以像元信號(hào)的幅值為被控制量，通過(guò)改變SH的脈沖周期使視頻輸出的幅度最值保持在ADC的滿量程，從而實(shí)現(xiàn)光積分時(shí)間的自適應(yīng)控制。

2 系統(tǒng)組成

該采集系統(tǒng)包括三大部分：CCD傳感頭、信號(hào)采集板和微型機(jī)。傳感頭和采集板之間采用單同軸電纜作為雙向復(fù)用傳輸總線，其原理框圖如圖2所示。

CCD的各驅(qū)動(dòng)信號(hào)由CPLD產(chǎn)生，視頻輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入同軸電纜。信號(hào)采集板通過(guò)ISA口和微機(jī)接口，板上采用FPGA作為電路的邏輯控制器，光積分脈沖由FPGA產(chǎn)生，其周期的調(diào)節(jié)由FPGA的VHDL軟件或微機(jī)采集軟件控制。在接口協(xié)議的調(diào)控下，將CCD視頻信號(hào)和光積分脈沖信號(hào)雙向時(shí)分復(fù)用單同軸電纜作為信號(hào)和控制的傳輸總線。

3 總線的電氣接口原理

CCD傳感頭中晶振選定后，Φ1和Φ2的信號(hào)頻率也隨之確定，CCD像元視頻信號(hào)移位輸出時(shí)間也就固定了。例如：TCDl501C共5076個(gè)像元(除5000個(gè)曝光像元外，還有前64個(gè)和后12個(gè)啞元)， 晶振頻率為20MHz，CPLD輸出的Φ1和Φ2頻率為2．5MHz，視頻輸出速率為5MHz，所以一幀CCD信號(hào)輸出時(shí)間為5076／5MHz=1．0152ms。如果光積分時(shí)間為2ms，則在剩余近lms的時(shí)間內(nèi)，CCD輸出的是空操作，視頻信號(hào)幅值接近箝位高電平?？偩€原理和控制信號(hào)定時(shí)關(guān)系圖如圖3所示。

系統(tǒng)在上電初始狀態(tài)設(shè)置同軸電纜兩端開(kāi)關(guān)電平，使光積分通道開(kāi)通。從定時(shí)關(guān)系中可見(jiàn)，光積分脈沖的下降沿啟動(dòng)ISA板和CCD傳感頭內(nèi)部邏輯計(jì)數(shù)器，同時(shí)使電纜兩端開(kāi)關(guān)控制信號(hào)由光積分通道切換到CCD信號(hào)通道。因?yàn)镃CD器件首先輸出的是一定數(shù)量的啞元信號(hào)，所選擇的SPDT(單刀雙擲)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)切換時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前面啞元信號(hào)的總輸出時(shí)間，故開(kāi)關(guān)切換到CCD信號(hào)通道的時(shí)間對(duì)于曝光像元信號(hào)的輸出沒(méi)有任何影響。當(dāng)計(jì)數(shù)到5076或5064(不計(jì)后12個(gè)啞元)時(shí)，電纜兩端兩開(kāi)關(guān)控制信號(hào)再次變換極性，使電纜切換到光積分脈沖信號(hào)通道。其實(shí)，只要在下一個(gè)光積分脈沖到來(lái)前的空操作的任何時(shí)刻完成通道切換即可。

原本最顯然且直接的設(shè)計(jì)方案是采用另一條規(guī)范的總線(比如422總線)來(lái)專門(mén)傳輸由ISA板輸出的光積分控制信號(hào)，而由CCD視頻信號(hào)獨(dú)占同軸電纜，這樣也可滿足工程化的要求；而且422總線的雙絞線在惡劣環(huán)境下的傳輸距離和抗干擾性能也令人可以接受。

不過(guò)比較來(lái)說(shuō)，單同軸電纜雙向復(fù)用總線更有優(yōu)越性。

第一，原理更加簡(jiǎn)潔實(shí)用，其接口協(xié)議比422接口協(xié)議還簡(jiǎn)單；

第二，兩端切換開(kāi)關(guān)的介入并不影響視頻信號(hào)的傳輸，而且開(kāi)關(guān)的切換是在一幀CCD信號(hào)的兩端外，其可能產(chǎn)生的瞬變電壓或電壓波動(dòng)影響不到整幀有效信號(hào)；

第三，控制信號(hào)的產(chǎn)生也很方便。熟悉VHDL或Verilog語(yǔ)言的人都清楚，在CPLD或FPGA編程中，新增一個(gè)計(jì)數(shù)器(或本來(lái)設(shè)有計(jì)數(shù)器)并增加幾條計(jì)數(shù)判斷控制指令，鎖定外部一管腳輸出控制信號(hào)，就實(shí)現(xiàn)了SPDT開(kāi)關(guān)控制功能；

圖6

    第四，總線帶寬和傳輸距離的優(yōu)越性明顯，與同軸電纜達(dá)400MHz的帶寬和300m~500m的傳輸距離相比，雙絞線顯然遜色；

第五，節(jié)省外部連接線，安裝簡(jiǎn)單。例如。一塊ISA采集板采集4路CCD傳感頭，如果采用422總線接口傳輸光積分脈沖，則需要4組共8根雙絞線，而采用單同軸電纜雙向時(shí)分復(fù)用傳輸總線，則用4根同軸電纜就夠了，連接操作也再簡(jiǎn)單不過(guò)；

圖7

    第六，同軸電纜抗干擾性也比雙絞線好，更好地滿足了工程實(shí)用化的嚴(yán)格要求。

圖8

    該單同軸電纜雙向復(fù)用傳輸外總線已經(jīng)應(yīng)用于高精度CCD角度傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。