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                KAI-02150的CCD模擬前端采ㄨ集電路設計

                2015-06-08

                摘要 針對Truesense Imaging(原柯達Image sensor solutions部門)生產的CCD圖像傳感器KAI-02150,設計了雙通道々模擬前∞端采集電路。給出了電路的結構組成,根據KAI-02150的驅動和輸出參@ 數要求設計了各個模塊的具體電在一座聆听里路。通過SPI接口對AD9920A的寄存器進行配置,可以滿足多種◤工作模式切換的需要。與傳統的CCD模擬前端采集方↑案相比,文中的設計■更加靈活簡單、穩定可靠。測試表明,設計的輸出驅動時鐘ζ滿足KAI-02150的輸入要求,可以驅動CCD輸出模擬信號,並□完成相關雙采樣和A/D轉換得到數字視頻信號。
                關鍵詞 KAI-02150;CCD;模擬前端采集;AD9920A

                    KAI-02150圖︻像傳感器是Truesense Imaging設計生產的命都是你全高清行間轉移CCD,有效圖像分辨率為1920×1080,支持四通心智顿时道輸出,圖像最高輸出幀率可達〇64fps,主要用於工業圖像、醫療圖像、安防監◆控等領域。
                    CCD的模擬前端采集電路設計主要用於對CCD提供水平和垂直驅動時鐘信號,放大調理CCD輸出的模擬→信號,對CCD輸出模擬信號進行模數轉換,提供必要的幀和行的同步▃信號來進行數字視頻信號的輸出。所以CCD模擬前端采集電路的設計對於整個數字攝像機的最後成像質量起著重要的作用。文中針對KAI-02150的參數特點設計了雙通道模由钢铁色变成了铜黄色擬前端采集電路,性能穩▲定可靠,模式設置方便靈活,減輕了軟件設計的負擔。

                1 KAI-02150圖像傳感器芯片簡介
                    Truesense Imaging生產的KAI-02150是一款1080p的2/3”大小的逐行掃描行突破口間轉移CCD傳感器,其主』要特征有:噪聲低、動態範圍寬、成像性能出色、信號讀出手却是伸了出去結構靈活,支持1、2或者4通道信號同時采集,全分辨率圖像最高采集速度可達64fps。KAI-02150在水平★時鐘頻率達到40 MHz時,其雙通道輸出幀率可以達▓到33fps,完全滿足普通安防監控的需要。

                2 雙通道模擬前端采集電路的設計
                2.1 模擬前端采集電路總體設計思路
                    KAI-02150在進行光電轉換的同時需要外部對其提供水平和垂直時鐘等驅動∮信號,使得每個〖像素的模擬電壓值進行串行輸出。CCD信號采集處理芯片AD9920A可以在提供必要的水平和垂直時鐘哦時序信號的同時對CCD模擬輸出信號進行模數轉換,並輸出相應的視頻同步信ζ 號。由於KAI-02150的驅動信號電〓平要求與AD9920A時序信號輸出電平不相符,需設計時鐘驅動電路對水平、垂直驅動與電子快門等信號進行電平的轉換,同時起到隔離、緩沖、提高帶◥負載能力等功能。在整個采集過程中,需要對AD9920A進行初始化和對采集到的雙通道視頻信號進行幀圖像的只要对方不是异能者或者是什么其它合成和預處理,文中使用FPGA精確控制AD9920A的初始化和視頻采集傳輸過程。

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                    文中采用的模擬前端采集電路主要由CCD傳感器、時序控制▓采集電路、時鐘↑驅動電路組成,組成結構如圖1所示。FPGA對模擬前端采集電路進行初始化並對采集到的視頻進行預處理。


                2.2 時序控制采集電路的設計
                    傳統CCD時序控制采集電路主要由CPLD和相關※雙采樣A/D芯片組成,垂直時鐘由CPLD提供,而水平時任他们在出租屋死睡鐘和電荷復位時鐘則由A/D芯片提供。為滿足多種工作模式的切換,必須預存多種驅動時鐘的輸出樣式,這樣需要∏在CPLD中編寫多種垂直時鐘時序樣式,大大增加了代碼開發的工作量。此外傳統方案外圍電路復雜,驅動武成龙再度抬起了头時鐘信號源需要CPLD和A/D同時提供,在集成度、靈活性和穩定◆性上都有所欠缺。
                    文中采用兩片Analog Device公①司生產的AD9920A來進行精確的CCD時鐘信號時序的輸出整个手都湿了和對CCD信號的進行A/D轉換。AD9920A主要特點如下:12位40.5 MHz模數轉∑換器;內置相關雙采樣控制電路;集成精確時序控制器;支持24路可編程垂直時鐘信號輸出。由於所有驅動時鐘和復位信號均由AD9920A提供,與√傳統方案相比,文中采用的方案可以通過SPI接口配置AD9920A自身寄◎存器,預存多種時到底是哪一方挂了鐘驅動樣式,更加靈活方便地進行配置出多種攝像機工作模式,並且具有更高的穩定可靠性。
                    方●案中所采用的兩片AD9920A中命一片工作在Master模式,用來提供CCD所需的水平垂直時鐘、電荷復位信號和電子快門信號,並對通道A的CCD信號進行采集卐。另外一片工々作在Slave模式,對通道B進行信號采集。工作在Master模式的AD9920A產生的HD和VD同步信號輸入到Slave模式的AD9920A,以便同步CCD數语不惊人死不休字信號輸出,在FPGA中雙通道采集的圖像可以得到還原。
                2.3 時鐘驅動電路的設計
                    KAI-02150的時鐘驅動信號高低電平要求各█不相同,前級AD9920A所提供的TTL時鐘信號必須☉通過時鐘驅動電路來進行電壓轉換,以符合CCD驅動電平的要求。
                    時鐘驅動電路主要作用是為時鐘信號提供直流偏置與增△大時鐘驅動能力。文中采用DC12V電壓供電,由雙通道DC/DC轉換器LT3471得到16 V和-10 V電壓,後經LDO穩壓芯片LT1964和LT1761得到CCD垂直時◥鐘所需的-9 V和12 V直流偏置ㄨ電壓。而水平時鐘信號、復位信號和電子即使是难逢敌手快門的直流偏置電壓則主要由兩片雙極↘性D/A轉換器AD5734R產生,後經LT1010電源緩沖器來提高電流輸出能力。
                    前級Master模式的AD9920A輸出的水平←時鐘信號與復位信號經74LCX541 8路三態CMOS緩沖器輸入▓。為避免信说道號產生過多失真,在PCB布線時HL、H1、H2和RG走線的電感應非常低。為使互内心是什么想法感最小,互補信號H1和H2的布線應盡可能對稱並靠∩近。H5和H6信號也應如此。CCD對HL和H1至H6有很大的→瞬變電流要求,因此使用較寬的PCB走線。
                    垂组织直時鐘信號經IXDD604高速MOSFET驅動器輸◢入到CCD,垂直時鐘信號VIB有高中低3個電平狀態↓。文中使用AD9920A輸出的兩個垂直時鐘信號經過兩片IXDD604來產生所需要的一家医院两名男子前天来找你V1B時鐘。如圖2所示,當V1B_H為低時,U22的VCC為0 V,V1B可以根據V1B_ML輸出中低電平。當V1B_H為高時,U22的VCC為12 V,保持V1B_ML為高使得V1B輸出12V。

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                    電子快門信號的直流偏置電壓由AD5734R和LT1761提供,VSUB信號由AD9920A的GPO經過三極ζ管推挽放大電路後產生。


                3 AD9920A的寄存器相關設置
                3.1 相關雙采樣控制與水平時鐘時序♀設置
                    CCD理想的模擬信號輸出波形如圖3所示。圖3(a)中,在時刻1,電荷復位信號RG清除輸♂出電荷存儲器中的電荷,在時刻2,輸出電壓為CCD復位ζ 噪聲電平RSL,在時刻3,輸出電荷存什么才是蜀山派儲器中的電荷轉化為電壓輸出,輸出電壓為感光信號電平、復位噪聲電平與暗參考電平的和SGL。使用相■關雙采樣技術來對SGL與RSL的差值△V進行采樣,得到感光信號電壓』值,並消除了復位噪聲電平的影響。同時對暗參考電平進行采樣,△V減去暗參仿似知道了程二帅在施展异能一般考電平得到感光信號電平。

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                    AD9920A中內置相關雙采樣電路,主要由寄↙存器SHPLOC和SHDLOC來控制RSL和SGL的采ㄨ樣時刻。SHP、SHD是通過將主時鐘周期分為64個邊沿時】刻,相對於寄存器值被映射到4個象限中,每個象限包含了16個邊沿時刻。而數據「輸出DATACLK相位可以通過DOUTPHASE寄存器進行編程,可以設置脑波能量瞬间击晕了雪魔女從0~63的任何時刻。通過配置0x38地址㊣ 的寄存器來設置SHPLOC和SHDLOC的值,從而對應⊙了RSL和SGL在一個像素周▆期中的采集時刻。為使切換噪眼看着三四米高聲最小,應將DOUTPHASE寄№存器設置為與SHP采樣位置相同其实一阳子所炼制的邊沿,或者設〗置為SHP采樣位置之後最多11個邊沿時刻,不應處於SHD采樣位置與SHD位置之而有些人却是必须要带到警察局去审问後的11個邊沿之∞間。
                    在每個CCD感光器件的周圍都有一些不感光的區間,這些就是暗像素區。通過AD9920A寄存器設置,將CLPOB使能神情忽然一凛在這些區間。當CLPOB使能後,AD9920A內部的電路就會自動計算出這些暗參考電平的平均值。最終AD9920A輸出的數據是減掉暗參考電平後的有效值。暗像素參考電平采樣位置取決於CCD,對於KAI-02150,取行首的前20個暗像素來計算暗參考電平。
                3.2 水平垂直時鐘時序設置
                    CCD水平時鐘時序的設置主要是對Master模式的AD9920A的寄存器0x30~0x34進行配置,從而確定H1、H2、HL、RG在一個像素周期內上升沿和下降沿的位置。進一步設︾置寄存器0x36和0x37來配置AD9920A的水平時鐘輸出的驅動電流強度。
                    AD9920A的垂直時鐘時序設置比所以没有着急較靈活,通過預設多組V-Pattern、V-Sequence、Field寄存器可以組合出多種工屡试不爽作模式。在攝像卐機工作時,只需修改Mode寄存器就可以在多種工作模式間進行切換。根據KAI-02150的Datasheet提供的垂直時鐘時序▲圖所示,CCD最後一行像素輸出所需垂直時鐘和其他行李公根不同。所以對工作在Ψ Master模式的AD9920A設置了2組V-Pattern寄存器、2組V-Sequence寄存器,並根據需要設置了3組Field寄存器,來獲得3種工作模式。
                3.3 電子快門設置
                    文中采用AD9920A的GPO04作為CCD的電子快門信號。AD9920A的GPO04既可以作為普通I/O口使用,又可▲以和片內XSUBCK信號相連而作為△XSUBCK輸出。通過配置0x8E、0x8F、0x90寄存器的值,來控制電子曝光時間的長短。

                4 實都有成员参加驗測試結果
                    通過後級FPGA按照AD9920A的Datasheet上提供的上電順序進行寄存器配置,AD9920A就可以輸出采〖集到的BAYER陣列格式的數字視頻信號。經過一系列的←調試後,保證CCD水平垂直驅動時鐘信號雷击、電荷復位信號、電子快門信號均符合KAI-02150的參數需求,獲得數【字高清圖像。示波器采集到的主要信號波形如圖5所示,其中,圖4(a)是水平驅動時鐘,上方是H1Sa,下方是H2Sa;圖4(b)是垂直驅動時鐘,上方是V1B,下方是V3B;圖4(c)是CCD輸出的模擬信號與RG復位信號,上方是Video_A,下方是RG_a;最終通過後級DSP處理模塊網絡輸出到上位機的圖像如圖5所示。

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                5 結束語
                    文中針對Truesense Imaging的KAI-02150設計↓了完整的CCD雙通道模擬前端采集電路。相對於傳統的CPLD與CDS&A/D轉換器的設計方案相比,采用兩片AD9920A的設計方案更加靈活可〖靠,可以滿足更多工作模式切換的需要。通過FPGA對一主一從兩片AD9920A進行寄存器配置,經過時鐘驅動電路的調理,輸出滿足KAI-02150時序要求的驅動※信號,驅動KAI-02150輸出模擬視頻信號。最後通過AD9920A的相關雙采◥樣、可變增益和模數轉換輸出數字視頻信號。經過上位機處理得到圖体会检验一遍像,驗證了整個硬件設計方案和AD9920A寄存器更何况配置的正確性。

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