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面向高分辨率面阵CCD的新型信号采集系统设计
摘要：设计了一种新型高分辨率面阵CCD信号采集系统。该系统采用集成了时序发生器和模拟前端电路功能的模块AD9995驱动面阵CCD，经高速A/D转换后的各像素数字信号在DSP中的DMA控制器管理下通过DSP的PPI接口直接传输至片外SDRAM存储器。该系统结构紧凑，噪音干扰小，可用于高性勇夺数码相机和实时图像采集与处理等场合。
关键词：电荷耦合器件 数字信号处理器 直接存储器访问 并行外部接口 信号采集 模拟前端
电荷耦合器件CCD（Charge Coupled Device）是一种金属-氧化物-半导体结构的新型图像传感器器件。它能存储由光产生的信号电荷，当对它施加特定的时序信号时，其存储的信号电荷便可在CCD内部作定向传输而实现自扫描。由于它具有几何精度高、稳定性好、噪音小等优点，因而在遥感遥测、天文测量、非接触工业测量、光学图像处理等领域得到了广泛应用。近年来随着大面阵CCD生产工艺水平的提高和价格的下降，极大地促进了数码相机、数码摄像机等新兴消费类电子产品的发展，并迅速形成惊人的市场规模。本文主要讨论面向高分辨率面阵CCD的一种新型信号采集系统的软硬件设计和实现。该系统可用于数码相机以及对分辨率要求较高的图像处理场合。
1 系统设计
系统的原理框图如图1所示，被观测物经过光学镜头映射在CCD图像传感器的光敏阵列上，通过CCD内部将光信号转化为电信号。当时序发生器对其施加特定时序的脉冲时，每个像素的电荷信号将被依次移出CCD并经放大变成电压幅度不等的模拟信号。这些信号将会被送到外部独立的模拟前端（AFE）电路并转换为数字信号，这些数字信号就是传感器捕捉到的原始图像信息。在本系统中，采用AD公司新近推出的AD9995芯片，它集成了时序发生器、模拟前端以及A/D转换器的功能。AD9995中的时序发生器（Time Generator）产生CCD的驱动脉冲（V1～V6，H1～H4），CCD在驱动脉冲的作用下输出像素电压信号给AD9995，由AD9995内部的模拟前端电路调理后经A/D转换器产生数字信号并行输出：之后这些数据信号通过DSP的PPI接口，在DSP中的DMA控制器控制下，高速存储到DSP的外部存储器SDRAM中，以待进一步的图像处理。
2 系统硬件组成及实现
2．1 CCD芯片
本系统采用的ICX432DQF是SONY公司生产的一款3.24M有效像素的行间传送面阵CCD（如图2所示），它具有高感光度，暗电流非常小，并带有电子快门功能，要求的水平驱动时钟频率为24.3MHz，需要六相垂直驱动脉冲和两相水平驱动脉冲来驱动。V1～V6为垂直脉冲输入引脚，H1、H2为水平脉冲输入引脚。在CCD曝光成像之后，首先会在驱动脉冲的作用下将每一列成像势阱中的电荷移送到旁边的垂直寄存器（掩膜阱）中，在垂直驱动脉冲的作用下，垂直寄存器组中所有像素电荷向下移动一行，此时最下边一行的像素电荷便被移送到水平寄存器中；之后在水平驱动脉冲的作用下，水平寄存器中电荷被依次移出，经放大形成电压信号由Vout引脚输出，水平寄存器被移空后，所有余下的电荷又被下移一行，然后水平寄存器中的电荷再依次被移出。重复这个过程直至所有像素电荷被移出。
