電子電路KAI02150的CCD模擬前端采集電路設(shè)計(jì)

1、kai-02150的ccd模擬前端采集電路設(shè)計(jì) (1) 感謝到訪我的主頁(yè)：/hechaoscut(文檔西游) 本文檔格式為word,若不是word文檔,則說(shuō)明不是原文檔。 若圖片過(guò)大，下載后拉小即可。 kai-02150圖像傳感器是kodak公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全高清行間轉(zhuǎn)移ccd(charge-coupled device)，有效圖像分辨率為1 9201 080，支持四通道輸出，圖像最高輸出幀率可達(dá)64fips-1，主要用于工業(yè)圖像、醫(yī)療圖像、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。 ccd的模擬前端采集電路設(shè)計(jì)主要用于對(duì)ccd提供水平和垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)，放大調(diào)理ccd輸出的模擬信號(hào)

2、，對(duì)ccd輸出模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供必要的幀和行的同步信號(hào)來(lái)進(jìn)行數(shù)字視頻信號(hào)的輸出。所以ccd模擬前端采集電路的設(shè)計(jì)對(duì)于整個(gè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的最后成像質(zhì)量起著重要的作用。一般如sony公司針對(duì)所生產(chǎn)的ccd都提供了相應(yīng)的前端采集電路的參考設(shè)計(jì)方案，但kodak公司沒(méi)有在技術(shù)文檔中提供相關(guān)信息。文中針對(duì)kai-02150的參數(shù)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了雙通道模擬前端采集電路，性能穩(wěn)定可靠，模式設(shè)置方便靈活，減輕了軟件設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。 1 kai-02150圖像傳感器芯片簡(jiǎn)介 kodak公司生產(chǎn)的kai-02150是一款1080p的23”大小的逐行掃描行間轉(zhuǎn)移ccd傳感器，其主要特征有：噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍寬、成像性能出色

3、、信號(hào)讀出結(jié)構(gòu)靈活，支持1、2或者4通道信號(hào)同時(shí)采集，全分辨率圖像最高采集速度可達(dá)64 fips-1。kai-02150在水平時(shí)鐘頻率達(dá)到40 mhz時(shí)，其雙通道輸出幀率可以達(dá)到33 fips-1，完全滿足普通安防監(jiān)控的需要。 2 雙通道模擬前端采集電路的設(shè)計(jì) 21 模擬前端采集電路總體設(shè)計(jì)思路 kai-02150在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的同時(shí)需要外部對(duì)其提供水平和垂直時(shí)鐘等驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使得每個(gè)像素的模擬電壓值進(jìn)行串行輸出。ccd信號(hào)采集處理芯片ad9920a可以在提供必要的水平和垂直時(shí)鐘時(shí)序信號(hào)的同時(shí)對(duì)ccd模擬輸出信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)的視頻同步信號(hào)。由于kai-02150的驅(qū)動(dòng)信號(hào)電平要求與a

4、d9920a時(shí)序信號(hào)輸出電平不相符，需設(shè)計(jì)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路對(duì)水平、垂直驅(qū)動(dòng)與電子快門等信號(hào)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，同時(shí)起到隔離、緩沖、提高帶負(fù)載能力等功能。在整個(gè)采集過(guò)程中，需要對(duì)ad9920a進(jìn)行初始化和對(duì)采集到的雙通道視頻信號(hào)進(jìn)行幀圖像的合成和預(yù)處理，文中使用fpga精確控制 文中采用的模擬前端采集電路主要由ccd傳感器、時(shí)序控制采集電路、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。fpga對(duì)模擬前端采集電路進(jìn)行初始化并對(duì)采集到的視頻進(jìn)行預(yù)處理。22 時(shí)序控制采集電路的設(shè)計(jì) 傳統(tǒng)ccd時(shí)序控制采集電路主要由cpld和相關(guān)雙采樣ad芯片組成，垂直時(shí)鐘由cpld提供，而水平時(shí)鐘和電荷復(fù)位時(shí)鐘則由ad芯片提供。為

5、滿足多種工作模式的切換，必須預(yù)存多種驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的輸出樣式，這樣需要在cpld中編寫多種垂直時(shí)鐘時(shí)序樣式，大大增加了代碼開(kāi)發(fā)的工作量。此外傳統(tǒng)方案外圍電路復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)源需要cpld和ad同時(shí)提供，在集成度、靈活性和穩(wěn)定性上都有所欠缺。 文中采用兩片analog device公司生產(chǎn)的ad9920a來(lái)進(jìn)行精確的ccd時(shí)鐘信號(hào)時(shí)序的輸出和對(duì)ccd信號(hào)的進(jìn)行ad轉(zhuǎn)換。ad9920a主要特點(diǎn)如下：12位405 mhz模數(shù)轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置相關(guān)雙采樣控制電路；集成精確時(shí)序控制器；支持24路可編程垂直時(shí)鐘信號(hào)輸出。由于所有驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)均由ad9920a提供，與傳統(tǒng)方案相比，文中采用的方案可以通過(guò)spi接

6、口配置ad9920a自身寄存器，預(yù)存多種時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)樣式，更加靈活方便地進(jìn)行配置出多種攝像機(jī)工作模式，并且具有更高的穩(wěn)定可靠性。 方案中所采用的兩片ad9920a中一片工作在master模式，用來(lái)提供ccd所需的水平垂直時(shí)鐘、電荷復(fù)位信號(hào)和電子快門信號(hào)，并對(duì)通道a的ccd信號(hào)進(jìn)行采集。另外一片工作在slave模式，對(duì)通道b進(jìn)行信號(hào)采集。工作在master模式的ad9920a產(chǎn)生的hd和vd同步信號(hào)輸入到slave模式的ad9920a，以便同步ccd數(shù)字信號(hào)輸出，在fpga中雙通道采集的圖像可以得到還原。 23 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) kai-02150的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)高低電平要求各不相同，前級(jí)ad992

7、0a所提供的ttl時(shí)鐘信號(hào)必須通過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路來(lái)進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，以符合ccd驅(qū)動(dòng)電平的要求。 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路主要作用是為時(shí)鐘信號(hào)提供直流偏置與增大時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)能力。文中采用dc12v電壓供電，由雙通道dcdc轉(zhuǎn)換器lt3471得到16 v和-10 v電壓，后經(jīng)ldo穩(wěn)壓芯片lt1964和lt1761得到ccd垂直時(shí)鐘所需的-9 v和12 v直流偏置電壓。而水平時(shí)鐘信號(hào)、復(fù)位信號(hào)和電子快門的直流偏置電壓則主要由兩片雙極性da轉(zhuǎn)換器ad5734r產(chǎn)生，后經(jīng)lt1010電源緩沖器來(lái)提高電流輸出能力。 前級(jí)master模式的ad9920a輸出的水平時(shí)鐘信號(hào)與復(fù)位信號(hào)經(jīng)74lcx541 8路三態(tài)cmos緩沖器輸

8、入。為避免信號(hào)產(chǎn)生過(guò)多失真，在pcb布線時(shí)hl、h1、h2和rg走線的電感應(yīng)非常低。為使互感最小，互補(bǔ)信號(hào)h1和h2的布線應(yīng)盡可能對(duì)稱并靠近。h5和h6信號(hào)也應(yīng)如此。ccd對(duì)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。 垂直時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)ixdd604高速mosfet驅(qū)動(dòng)器輸入到ccd，垂直時(shí)鐘信號(hào)vib有高中低3個(gè)電平狀態(tài)。文中使用ad9920a輸出的兩個(gè)垂直時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過(guò)兩片ixdd604來(lái)產(chǎn)生所需要的v1b時(shí)鐘。如圖2所示，當(dāng)v1b_h為低時(shí)，u22的vcc為0 v，v1b可以根據(jù)v1b_ml輸出中低電平。當(dāng)v1b_h為高時(shí)，u22的vcc為12 v，保持v1b_ml為高使

9、得v1b輸出12v。 電子快門信號(hào)的直流偏置電壓由ad5734r和lt1761提供，vsub信號(hào)由ad9920a的gpo經(jīng)過(guò)三極管推挽放大電路后產(chǎn)生。 3 ad9920a的寄存器相關(guān)設(shè)置 31 相關(guān)雙采樣控制與水平時(shí)鐘時(shí)序設(shè)置 ccd理想的模擬信號(hào)輸出波形如圖3所示。圖3(a)中，在時(shí)刻1，電荷復(fù)位信號(hào)rg清除輸出電荷存儲(chǔ)器中的電荷，在時(shí)刻2，輸出電壓為ccd復(fù)位噪聲電平rsl，在時(shí)刻3，輸出電荷存儲(chǔ)器中的電荷轉(zhuǎn)化為電壓輸出，輸出電壓為感光信號(hào)電平、復(fù)位噪聲電平與暗參考電平的和sgl。使用相關(guān)雙采樣技術(shù)來(lái)對(duì)sgl與rsl的差值v進(jìn)行采樣，得到感光信號(hào)電壓值，并消除了復(fù)位噪聲電平的影響。同時(shí)對(duì)暗

10、參考電平進(jìn)行采樣，v減去暗參考電平得到感光信號(hào)電平。 ad9920a中內(nèi)置相關(guān)雙采樣電路，主要由寄存器shploc和shdloc來(lái)控制rsl和sgl的采樣時(shí)刻。shp、shd是通過(guò)將主時(shí)鐘周期分為64個(gè)邊沿時(shí)刻，相對(duì)于寄存器值被映射到4個(gè)象限中，每個(gè)象限包含了16個(gè)邊沿時(shí)刻。而數(shù)據(jù)輸出dataclk相位可以通過(guò)doutphase寄存器進(jìn)行編程，可以設(shè)置從063的任何時(shí)刻。通過(guò)配置0x38地址的寄存器來(lái)設(shè)置shploc和shdloc的值，從而對(duì)應(yīng)了rsl和sgl在一個(gè)像素周期中的采集時(shí)刻。為使切換噪聲最小，應(yīng)將doutphase寄存器設(shè)置為與shp采樣位置相同的邊沿，或者設(shè)置為shp采樣位置之后

11、最多11個(gè)邊沿時(shí)刻，不應(yīng)處于shd采樣位置與shd位置之后的11個(gè)邊沿之間。 在每個(gè)ccd感光器件的周圍都有一些不感光的區(qū)間，這些就是暗像素區(qū)。通過(guò)ad9920a寄存器設(shè)置，將clpob使能在這些區(qū)間。當(dāng)clpob使能后，ad9920a內(nèi)部的電路就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出這些暗參考電平的平均值。最終ad9920a輸出的數(shù)據(jù)是減掉暗參考電平后的有效值。暗像素參考電平采樣位置取決于ccd，對(duì)于kai-02150，取行首的前20個(gè)暗像素來(lái)計(jì)算暗參考電平。 32 水平垂直時(shí)鐘時(shí)序設(shè)置 ccd水平時(shí)鐘時(shí)序的設(shè)置主要是對(duì)master模式的ad9920a的寄存器0x300x34進(jìn)行配置，從而確定h1、h2、hl、rg在

12、一個(gè)像素周期內(nèi)上升沿和下降沿的位置。進(jìn)一步設(shè)置寄存器0x36和0x37來(lái)配置ad9920a的水平時(shí)鐘輸出的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度。 ad9920a的垂直時(shí)鐘時(shí)序設(shè)置比較靈活，通過(guò)預(yù)設(shè)多組v-pattern、v-sequence、field寄存器可以組合出多種工作模式。在攝像機(jī)工作時(shí)，只需修改mode寄存器就可以在多種工作模式間進(jìn)行切換。根據(jù)kai-02150的datasheet提供的垂直時(shí)鐘時(shí)序圖所示，ccd最后一行像素輸出所需垂直時(shí)鐘和其他行不同。所以對(duì)工作在master模式的ad9920a設(shè)置了2組v-pattern寄存器、2組v-sequence寄存器，并根據(jù)需要設(shè)置了3組field寄存器，來(lái)獲得

13、3種工作模式。 33 電子快門設(shè)置 文中采用ad9920a的gpo04作為ccd的電子快門信號(hào)。ad9920a的gpo04既可以作為普通io口使用，又可以和片內(nèi)xsubck信號(hào)相連而作為xsubck輸出。通過(guò)配置0x8e、0x8f、0x90寄存器的值，來(lái)控制電子曝光時(shí)間的長(zhǎng)短。 4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果 通過(guò)后級(jí)fpga按照ad9920a的 datasheet上提供的上電順序進(jìn)行寄存器配置，ad9920a就可以輸出采集到的bayer陣列格式的數(shù)字視頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)試后，保證ccd水平垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)、電荷復(fù)位信號(hào)、電子快門信號(hào)均符合kai-02150的參數(shù)需求，獲得數(shù)字高清圖像。示波器采集到的主

14、要信號(hào)波形如圖5所示，其中，圖4(a)是水平驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，上方是h1sa，下方是h2sa；圖4(b)是垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，上方是v1b，下方是v3b；圖4(c)是ccd輸出的模擬信號(hào)與rg復(fù)位信號(hào)，上方是video_a，下方是rg_a；最終通過(guò)后級(jí)dsp處理模塊網(wǎng)絡(luò)輸出到上位機(jī)的圖像如圖5所示。 5 結(jié)束語(yǔ) 文中針對(duì)kodak公司的kai-02150設(shè)計(jì)了完整的ccd雙通道模擬前端采集電路。相對(duì)于傳統(tǒng)的cpld與cds amp;ad轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案相比，采用兩片ad9920a的設(shè)計(jì)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(guò)fpga對(duì)一主一從兩片ad9920a進(jìn)行寄存器配置，經(jīng)過(guò)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)電路的

15、調(diào)理，輸出滿足kai-02150時(shí)序要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)kai-02150輸出模擬視頻信號(hào)。最后通過(guò)ad9920a的相關(guān)雙采樣、可變?cè)鲆婧湍?shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字視頻信號(hào)。經(jīng)過(guò)上位機(jī)處理得到圖像，驗(yàn)證了整個(gè)硬件設(shè)計(jì)方案和ad9920a寄存器配置的正確性。 歡迎到訪：/mydoc-2194684-1.html您還在到處查找市場(chǎng)分析/調(diào)研報(bào)告/各類論文嗎？在這里可以找到/hechaoscut，更多資源或疑問(wèn)查看可站內(nèi)聯(lián)系免費(fèi)閱讀西游文檔:基于lm2679多路輸出dc-dc變換器 大幅優(yōu)化離線電源輕載能效的安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新pfc控制方案 使用數(shù)字分壓器實(shí)現(xiàn)車燈調(diào)光應(yīng)用設(shè)計(jì)方