來源：電子技術(shù)應(yīng)用 作者：宋志平 洪 津 喬延利 錢 偉 周文勤

摘要：以ｄａｌｓａ 公司的ｃａ－ｄ７－１０２４ｔ數(shù)字ｃｃｄ相機為例，詳細討論了數(shù)字ｃｃｄ相機的接口信號及其時序關(guān)系；研究了數(shù)字ｃｃｄ相機圖像傳輸卡的關(guān)鍵技術(shù)，介紹了傳輸卡的電路原理及各部分的實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：ccd相機fgpa 圖像數(shù)據(jù)傳輸卡 pci總線隨著ｃｃｄ技術(shù)的發(fā)展，頻率高、數(shù)字化的新型ｃｃｄ相機不斷出現(xiàn)。ｃｃｄ相機輸出的數(shù)字化，簡化了相機與傳輸采集系統(tǒng)的接口設(shè)計，使數(shù)字ｃｃｄ相機正越來越多地成為實時ｐｃｉ控制、數(shù)據(jù)采集、圖形圖像處理、遙感遙測等系統(tǒng)中的探測器。這種ｃｃｄ相機多采用幀轉(zhuǎn)移型體系結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換速度快，量化精度、量子效率高。準確理解相機的接口信號及其時序關(guān)系，掌握其圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的原理及實現(xiàn)方法，可大大拓寬數(shù)字ｃｃｄ相機的應(yīng)用領(lǐng)域，提高應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性。

１ 數(shù)字ｃｃｄ相機及其接口技術(shù)在本系統(tǒng)中使用ｄａｌｓａ公司生產(chǎn)的ｃａ－ｄ７－１０２４ｔ數(shù)字ｃｃｄ相機。該相機是一種幀轉(zhuǎn)移型的ｃｃｄ相機，相機的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機內(nèi)部采用了相關(guān)雙采樣（ｃｄｓ）、垂直反暈（ｖａｂ）等技術(shù)，大大提高了相機的成像品質(zhì)。相機輸出經(jīng)過采樣、量化的數(shù)據(jù)，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４ｈｚ，電子快門。相機內(nèi)部由ｃｃｄ圖像傳感器、驅(qū)動器、定時器、ａ／ｄ轉(zhuǎn)換等模塊組成。其接口信號分為兩類：用戶總線接口信號和數(shù)據(jù)總線接口信號。

用戶總線接口信號包括：

·ｅｘｓｙｎｃ觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。當ｅｘｓｙｎｃ固定接低電平時，相機以最大幀速率輸出圖像數(shù)據(jù)；當ｅｘｓｙｎｃ正負交替時，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。

·ｐｒｉｎ像元復(fù)位信號，為可選信號。在兩次ｅｘｓｙｎｃ有效之間復(fù)位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時間。ｐｒｉｎ低有效，在其上升沿開始有效曝光。如果ｐｒｉｎ固定接高電平，積分時間最大；如果ｐｒｉｎ被固定接低電平，探測器收集不到任何圖像信息。

·ｂｉｎ像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會降低相機的空間分辨率，但會增強探測器對光的敏感性。ｂｉｎ信號高有效，不用時將其接為低電平。

以上信號均由應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)生，送給相機，為應(yīng)用系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)定相機的工作模式提供了手段。

數(shù)據(jù)總線接口信號為相機輸出信號，包括：

·ｄａｔａ０～１１１２位數(shù)據(jù)總線。ｄａｔａ０～１１是相機輸出的、分別對應(yīng)目標某個像元灰度的１２位圖像數(shù)據(jù)。

·ｓｔｒｏｂｅ像元時鐘信號。ｓｔｒｏｂｅ是圖像數(shù)據(jù)的像元時鐘。它的頻率與數(shù)據(jù)速率相同，即使數(shù)據(jù)無效，ｓｔｒｏｂｅ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數(shù)據(jù)，傳輸卡應(yīng)在ｆｖａｌ和ｌｖａｌ為高電平時，在ｓｔｒｏｂｅ的下降沿進行數(shù)據(jù)鎖存。

·ｆｖａｌ幀同步信號。ｆｖａｌ高電平表明相機正輸出一幀有效數(shù)據(jù)。

·ｌｖａｌ行同步信號。當ｆｖａｌ為高電平時，ｌｖａｌ高電平表明相機正輸出一個有效的像元行。在兩個有效行之間，ｌｖａｌ會變低跳過幾個無效的像元，跳過的像元數(shù)取決于相機的型號和預(yù)觸發(fā)設(shè)定。

圖像數(shù)據(jù)傳輸卡正是利用這些接口信號來實現(xiàn)對相機的控制及圖像數(shù)據(jù)的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按ｒｓ４２２規(guī)范以差分方式在數(shù)字相機和圖像傳輸卡間進行傳輸，傳輸電纜為１００ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機接口信號之間的時序關(guān)系。

當ｐｒｉｎ由低電平向高電平跳變時，相機開始曝光。達到設(shè)定的曝光時間后，使ｅｘｓｙｎｃ信號變低，觸發(fā)幀讀出。此時相機首先進行幀轉(zhuǎn)移，幀轉(zhuǎn)移一結(jié)束，輸出信號ｆｖａｌ由低變高表示有效的數(shù)據(jù)幀開始，ｌｖａｌ由低變高表示相機正輸出有效像元行。當ｆｖａｌ和ｌｖａｌ再一次變低時，表示一幀數(shù)據(jù)輸出結(jié)束，可以開始第二次觸發(fā)幀讀出（使ｅｘｓｙｎｃ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉(zhuǎn)移結(jié)束后與第二次幀讀出啟動前這段時間進行，曝光時間在一定范圍內(nèi)可調(diào)。

２ 數(shù)字ｃｃｄ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的設(shè)計實現(xiàn)

在應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)字ｃｃｄ相機圖像數(shù)據(jù)傳輸卡的主要任務(wù)是產(chǎn)生相機工作所需的輸入信號，解譯相機的輸出信號，使相機在電控方式下工作并實時、正確地抓取相機輸出的圖像數(shù)據(jù)，在相機和計算機內(nèi)存之間建立硬件傳輸通道。為了適應(yīng)數(shù)字ｃｃｄ相機數(shù)據(jù)傳輸速率的不斷提高，早期基于ｉｓａ總