通用線陣CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)設(shè)計(jì)微型光譜儀時(shí)常會(huì)根據(jù)需要更換CCD，PDA的現(xiàn)狀，采用Cypress公司的AD21310和Cyclone系列FPGA設(shè)計(jì)適用于多種線陣CCD和小型面陣CCD的通用采集系統(tǒng)，設(shè)計(jì)16口入8口出異步FIFO。提供192 Kb高速緩存空間。USB器件采用快速讀入方式，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多種線陣CCD采集，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了相關(guān)雙采樣技術(shù)，具有快速、便捷、模塊化的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；CCD；FIFO；USB

1 引言

隨著微型光譜儀快速發(fā)展，CCD和PDA廣泛使用，CCD和PDA的種類型號(hào)越來(lái)越多，每種型號(hào)都需要專門的驅(qū)動(dòng)采集板，使得開發(fā)產(chǎn)品周期長(zhǎng)、費(fèi)用大。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD，并上傳至PC機(jī)，使用軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。

2 通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)部署圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件分為接口板、通用驅(qū)動(dòng)采集板、計(jì)算機(jī)。接口板匹配驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將CCD輸出視頻信號(hào)通過(guò)前置處理后鏈接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，按幀暫存在FPGA內(nèi)的FIFO中，通過(guò)USB快速塊傳輸模式上傳到計(jì)算機(jī)中．最后計(jì)算機(jī)軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。

通用性是由通用CCD驅(qū)動(dòng)模塊和16In8Out異步FIFO實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)不同類型的CCD編制不同的CCD驅(qū)動(dòng)模塊，采用16In8Out異步FIFO，F(xiàn)IFO根據(jù)CCD驅(qū)動(dòng)模塊提供的FS幀同步來(lái)確定暫存A／D轉(zhuǎn)換一幀像元數(shù)，實(shí)現(xiàn)了采集A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與USB傳輸?shù)姆蛛x，在修改或升級(jí)CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)，無(wú)需修改采集和數(shù)據(jù)輸出代碼，實(shí)現(xiàn)了通用性。

2．1 CCD接口板

由于大多數(shù)CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同。CCD接口板提供CCD插座和轉(zhuǎn)接CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及輸出信號(hào)電壓匹配。CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。

2．2 通用驅(qū)動(dòng)采集板

通用驅(qū)動(dòng)采集板由A／D轉(zhuǎn)換、FPGA(通用CCD驅(qū)動(dòng)器模塊和16In8Out異步FIFO模塊)、USB 3部分組成。A／D轉(zhuǎn)換部分完成系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換；FPGA部分完成系統(tǒng)的CCD驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集、CDS實(shí)現(xiàn)；USB部分完成數(shù)據(jù)的傳輸。

2．2．1 A／D轉(zhuǎn)換部分

系統(tǒng)需采集多種CCD并實(shí)現(xiàn)CDS，而且系統(tǒng)主要由USB供電，這就要求A／D轉(zhuǎn)換速度快，供電電壓低，最好參考電壓內(nèi)置。AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列，采用3 V單電源供電，該系列均內(nèi)置一個(gè)高性能采樣保持放大器(SHA)和基準(zhǔn)電壓源。AD923540采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在40 MSP／S數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供12位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼。

FPGA中采集信號(hào)發(fā)生器提供A／D采集時(shí)鐘，同時(shí)也控制FIFO和CCD驅(qū)動(dòng)器。A／D采樣速率不再受數(shù)據(jù)傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配。并可實(shí)現(xiàn)1幀內(nèi)1個(gè)像元的雙采樣，從而實(shí)現(xiàn)CDS。

2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅(qū)動(dòng)器模塊

由于不同生產(chǎn)商的CCD器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序往往差別很大，因此需針對(duì)每種CCD器件編制其CCD驅(qū)動(dòng)器模塊。驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號(hào)發(fā)生器提供，如圖2所示。

CCD驅(qū)動(dòng)器輸入信號(hào)由兩路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和積分時(shí)間控制信號(hào)INT組成；輸出信號(hào)由幀同步信號(hào)FS和CCD Driver信號(hào)組成。不同的CCD驅(qū)動(dòng)器模塊僅CCD Driver信號(hào)有所不同，其他接口一樣。在改變CCD時(shí)只需替換CCD驅(qū)動(dòng)器模塊即可。

2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO

FIFO用于暫存A／D轉(zhuǎn)換的信號(hào)。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后，將FIFO中的1幀數(shù)據(jù)通過(guò)快速塊傳輸上傳至計(jì)算機(jī)。1幀的像元個(gè)數(shù)由CCD驅(qū)動(dòng)模塊提供的FS信號(hào)決定。FIFO內(nèi)的存儲(chǔ)空間為192 Kb。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內(nèi)部原理圖。