《電子技術(shù)應用》
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基于AD9978A雙通道的CCD相機設計
來源：電子技術(shù)應用2013年第3期
黃 濤1，2，廖 勝1，韓維強1
1.中國科學院光電技術(shù)研究所，四川 成都610209； 2.中國科學院大學，北京100049
摘要： 基于ADI公司的雙通道、14 bit串行輸出圖像預處理芯片(AFE)AD9978A設計了一套CCD黑白數(shù)字攝像機電路系統(tǒng)。系統(tǒng)采用Dalsa公司的1 024×1 024幀轉(zhuǎn)移面陣CCD FTT1010M作為圖像傳感器，采用專用集成芯片DPP2010A作為時序發(fā)生器，以FPGA 為控制核心，并應用LVDS接口完成圖像輸出。針對CCD雙通道輸出時通道間存在的不均勻性問題，使用AD9978A在電路上給出了改進，并系統(tǒng)研究了該芯片復雜的寄存器配置問題。經(jīng)驗證，該系統(tǒng)能在不添加任何均勻性校正算法的情況下，輸出均勻性良好的雙通道圖像。
中圖分類號： TN492
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)03-0057-04
Dual channel CCD digital camera circuit design based on AD9978A
Huang Tao1，2，Liao Sheng1，Han Weiqiang1
1.Institute of Optics and Electronics，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610209，China； 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China
Abstract： A set of CCD monochrome camera circuit is designed based on ADI Company′s dual channel,14 bit HD image signal processor with precision timing core AD9978A. The system adopts the Dalsa Company’s 1 024×1 024 frame transfer array CCD FTT1010M as the image sensor and a special integrated chip DPP2010A as the PPG，and applies FPGA as the core of the system controller and the LVDS interface to complete the image output. According to the problem of nonuniformity between each channel after the transmission of the CCD dual channel output, the circuit is improved by using AD9978A. And the complex register allocation of this chip has been studied. After verification, the image performs good uniformity with the system in the case of none adding algorithm of nonuniformity correction.
Key words : CCD；dual channel；AFE；image uniformity

    CCD（Charge Coupled Devices）以其高靈敏度、較寬的動態(tài)范圍以及較高響應速度，成為當前的主流圖像傳感器之一。以CCD為核心的圖像處理系統(tǒng)包括CCD陣列、模擬前端AFE(Analog Front End)和數(shù)字處理模塊，其中模擬前端是實現(xiàn)前端CCD原始圖像模擬輸入信號到后端數(shù)字處理信號轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能直接決定了系統(tǒng)成像的圖像質(zhì)量。本文以ADI雙通道、14 bit串行輸出高速圖像預處理芯片AD9978A為AFE設計了一套CCD黑白數(shù)字攝像機，在提高數(shù)據(jù)傳輸和處理速率的同時，保證圖像的均勻性。

1 系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)電路組成
    系統(tǒng)電路主要由CCD芯片、驅(qū)動電路、可編程脈沖發(fā)生器PPG（Programmable Pulse Generator）、前端處理電路（Front End）、FPGA、EPLD、LVDS接口電路和二次電路等部分組成，如圖1所示。

 

 


    系統(tǒng)以FPGA為核心，協(xié)同可編程脈沖發(fā)生器產(chǎn)生主時鐘以及各種時序信號，經(jīng)由時鐘驅(qū)動、控制前端處理電路將CCD輸出的模擬信號進行模擬前端放大、相關(guān)雙采樣及增益控制(VGA)后完成A/D轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的14 bit采樣數(shù)據(jù)以串行LVDS信號輸出至FPGA進行圖像輸出信號合成，最后由EPLD完成圖像輸出信號的轉(zhuǎn)發(fā)。
1.2 系統(tǒng)的具體實現(xiàn)
1.2.1 CCD芯片
    系統(tǒng)采用Dalsa公司的1 024×1 024幀轉(zhuǎn)移面陣CCD FTT1010M[1]作為圖像傳感器。該芯片由成像區(qū)（Image Section）和存儲區(qū)（Storage Section）組成。有兩種輸出模式：一種是單通道（左端W）輸出，其特點是所需A/D資源少，所成圖像無需拼接，但是速度慢；另一種是雙通道（左端W，右端X）輸出，其特點是速度快，但需雙路A/D資源，且成像需要拼接。
1.2.2 模擬前端處理電路(AFE)
    由于CCD輸出的是帶有暗電流噪聲影響和輸出放大器復位脈沖串擾的模擬信號，因此必須進行圖像處理才能為后續(xù)電路使用。本系統(tǒng)選用ADI公司的AD9978A[2]作為圖像預處理芯片，它采用雙通道技術(shù)，同步進行包括相關(guān)雙采樣(CDS)、增益控制(VGA)、A/D轉(zhuǎn)換的CCD信號處理流程，并使用LVDS串行輸出方式輸出；自帶精確時鐘控制核心，不僅為CDS提供了數(shù)據(jù)采樣時鐘和保持時鐘，更為整個CCD信號處理部分提供了同步時間序列，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。


1.2.3 可編程脈沖產(chǎn)生器（PPG）
    可編程脈沖產(chǎn)生器采用Dalsa公司推出的專用芯片DPP2010A[3]，主要用于產(chǎn)生CCD所需的水平轉(zhuǎn)移時鐘、復位信號以及前端處理器所需的主時鐘AFECLK。它是一款可為Dalsa公司的全幀和幀轉(zhuǎn)移圖像傳感器提供高頻脈沖的可編程IC。當系統(tǒng)采用不同型號的CCD來產(chǎn)生不同時序時，其完全的再編程能力使得不必對硬件進行重新設計，只需重新編寫配置文件寫入器件即可。
1.2.4 系統(tǒng)控制器
    作為整個CCD相機的核心部分，系統(tǒng)控制器選用Xilinx Spartan3系列的XC3S400。該芯片擁有40萬個邏輯門，包含5個基本可編程功能結(jié)構(gòu)：可配置邏輯塊(CLBs)、輸入輸出部件組(IOBs)、塊RAM、乘法塊以及數(shù)字時鐘管理模塊(DCM)，主要用于產(chǎn)生主時鐘、CCD的成像區(qū)和存儲區(qū)垂直驅(qū)動時鐘以及對串行A/D數(shù)據(jù)的解調(diào)，并能提供圖像預處理的功能。
1.2.5 LVDS接口電路
      LVDS接口電路主要由EPLD和串行調(diào)制解調(diào)器組成。EPLD主要用于產(chǎn)生LVDS芯片時鐘，并完成接口控制命令解析和轉(zhuǎn)發(fā)的功能。該部分選用Xilinx公司的XCR3128為核心，搭配NS公司的DS92LV1021和DS92LV1210對控制命令、圖像數(shù)據(jù)和同步信號進行調(diào)制解調(diào)。
2 AD9978A的性能分析
    雙通道技術(shù)是在圖像傳輸和數(shù)據(jù)處理過程中，將圖像分成左、右獨立的兩塊，利用兩個相同的通道分別取址傳輸，以達到提高傳輸速率和數(shù)據(jù)處理速率的目的。
    傳統(tǒng)AFE芯片只設計了單通道，要實現(xiàn)雙通道技術(shù)，需要兩片同類型芯片并聯(lián)工作。但是，由于工作環(huán)境和外圍硬件電路本身條件均不能保證相似性，會產(chǎn)生較明顯的整體亮度和反差不一致, 影響圖像拼接效果。AD9978A采用雙通道技術(shù)，在硬件上保證了雙通道傳輸過程中的工作環(huán)境，如工作溫度等的大體一致，同時內(nèi)部時鐘控制核心系統(tǒng)保證了數(shù)據(jù)處理過程中的同步性。因此，在一片芯片上即可實現(xiàn)雙通道數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理，以提高傳輸速率和處理速率。
2.1 AD9978A外圍電路分析
    AD9978A的外圍電路如圖3所示，共有3.3 V和1.8 V兩種供電電壓，其中模擬電源（AVDD）、數(shù)字電源（DVDD）和LVDS驅(qū)動電源必須由同一個1.8 V電壓供應，而接口電源（IOVDD）則需要供應3.3 V。AVDD與AVSS之間需通過去耦電容接地，以達到去除紋波、抗干擾的效果。
    在布線時， LVDS信號線需遠離主時鐘(CLI)以防止串擾；同時，每對LVDS信號線之間也要盡可能遠離，以免產(chǎn)生寄生電容。
2.2 AD9978A寄存器功能分析
    AD9978A擁有強大的寄存器集合，能滿足用戶希望方便可調(diào)前端處理功能的需求，其配置流程圖如圖4所示。配置時，所有寄存器必須遵循嚴格的先后順序。
    (1)Soft Reset：需對所有內(nèi)部寄存器進行軟復位設置，在這一過程中需延遲一段時間以保證復位成功。
    



    本設計以AD9978A為主要研究對象，采用專用集成芯片構(gòu)成了CCD驅(qū)動電路。經(jīng)實驗證明，AD9978A在雙通道圖像處理上提供了較好的均勻性（在半飽和度情況下，非均勻性低于1.9%）。為了得到更高質(zhì)量的圖像，還需添加去光暈等圖像處理算法。由于AD9788A最大可處理14 bit數(shù)據(jù)，本設計僅采用低10位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)具有很寬的可調(diào)動態(tài)范圍。
參考文獻
[1] Datasheet Archive.FTT1010M 1M frame transfer CCD image sensor[Z].Canada：DALSA Professional Imaging，2007.
[2] Datasheet Archive.AD9978A dual-channel，14-bit HD image signal processor with precision timing core[Z].USA：ADI，2008.
[3] Datasheet Archive.DPP2010A HF pulse pattern generator[Z].Canada：DALSA Professional Imaging，2008.

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