CCD視頻信號處理電路

    關鍵詞：CCD；相關雙采樣；增益控；制信號處理

    引言

     CCD(ChargeCoupledDevice)電荷耦合器件是20世紀70年代發展起來的一種新型半導體大規模集成光電器件。由于它在圖像信息的攝取、記錄方面獨具特色，同時又具有體積小、功耗小、分辨率高、靈敏度高、可靠性好等諸多優點，因此在科學、天文、工業等領域有廣泛的應用。

     CCD輸出的視頻信號中除了有用的圖像信號外，還包括很高的直流分量和噪聲。若不進行處理，將嚴重影響傳感器的圖像質量，因此CCD視頻信號的噪聲處理十分重要。CCD視頻信號處理的目的就是盡可能地消除各種噪聲和干擾，但又不能損失圖像細節；并且保證在CCD的動態范圍內圖像信號隨著目標亮度成線性變化，同時為了便于計算機處理和大容量存儲，還必須對CCD輸出信號進行數字化處理。這些功能若由分立電路實現，則電路復雜、調試不方便、價格昂貴、功耗大等缺點是顯而易見的，這與CCD相機向著功能更強大、性能更完善、價格更便宜、功耗更低的發展趨勢是相悖的。隨著微電子技術的發展，為了解決CCD視頻信號噪聲處理問題，許多公司(Exar，Kodak，Burr-Brown，TI等)相繼開發了功能齊備的專用CCD視頻信號處理芯片，將各種功能電路集成在一塊芯片上，這樣不僅大大簡化了信號處理電路，降低了CCD相機設計復雜度，而且使CCD相機的功能更強大，性能更優越。

    本文主要分析了專用CCD視頻信號處理芯片XRD4460的功能及特點，并在此基礎上設計了基于XRD4460的CCD視頻信號處理電路。

     XRD4460的特點及功能

     XRD4460是Exar公司推出的專用CCD視頻信號處理芯片。它帶有一個1O位A/D轉換器，最高采樣速率高達16MHz，內置高帶寬的差分相關雙采樣器(CDS)和8位的數字可編程增益放大器(PGA)。模擬偏移量可控制，差分信號輸入，差分外部時鐘，片內帶有輸入緩存和采樣/保持器，1O位并行數據輸出。由于其功能強大、性能優越、功耗低、體積小等優點，因而廣泛用于數字攝像機、數字靜態相機和PC錄像會議相機等數字成像系統中。XRD4460的功能框圖如圖1所示，其功能主要包括。

   
    圖1 XRD4460的功能框圖

     (1)相關雙采樣(CDS，correlateddoublesampling)：CCD輸出信號中的主要有光子噪聲、陷阱噪聲、暗電流噪聲、復位噪聲。其中光子噪聲、陷阱噪聲是由器件和工藝造成的，不易處理，而暗電流噪聲與器件的環境溫度有關，所以信號處理電路主要對復位噪聲(亦稱KTC噪聲)進行抑制。為了降低復位噪聲，XRD4460采用了相關雙采樣技術。相關雙采樣的原理是由于復位噪聲表現在同一像素周期內近似常數(即具有相關張貴祥：碩士性)，但是對于不同的像素周期是隨機變化的。所以，只要在同一像素周期內的暗電平參考區間和信號電平區間進行兩次采樣，那么這兩次采樣的復位噪聲是相關的，將兩個采樣電平經差動放大器輸出，得到的信號就是真實的視頻信號。這一過程把與參考電平和信號電平都相關的復位噪聲濾除了，而且對低頻噪聲也有一定的濾除效果。

     (2)可編程增益控制PGA(programmable gain amplifier)：輸入到ADC的視頻信號的電壓是由CCD輸出信號的電壓和信號處理的系統增益、偏置決定的。因為CCD輸出信號的大小隨著入射照度的強弱而改變，只有通過信號處理系統進行增益、偏置地調節.才能使輸出的數字圖像的亮度和對比度滿足要求。XRD4460的增益控制由可編程增益放大器PGA完成，增益范圍為6dB～38dB，由8位增益寄存器控制，通過串口來設定。當輸入增益碼Code=00H時，系統存在固有6dB增益，增益控制碼每增加一個碼字，系統增益增加0.125dB，從而實現可編程增益控制。

     (3)暗電平自動校正：由于光強、溫度、供電電壓的緩慢變化都會使視頻輸出信號的暗參考電平出現波動，在實際應用中，需要暗參考電乎維持一個固定電平，暗參考電平校正過程亦即直流電平恢復過程。通過情況下，CCD輸出視頻信號的開始部分或結束部分會分布若干個暗電平參考像元。XRD4460通過CLAMP信號的高電平與輸出信號的暗參考像素對應，選擇合適的外部耦合電容參數，將使整行的暗參考電平保持在一個固定電平上。

     (4)數字偏置控制：若CCD工作于弱光條件下，即使信號的增益很大，經過視頻信號處理后的電壓仍可能低于ADC的下參考電壓，這樣使輸出視頻圖像產生失真。為了提高弱光條件下的灰度分辨率，需要使輸出視頻信號的暗參考電平高于ADC的下參考電壓，那么僅僅調整增益是不夠的，還需要對視頻輸出信號的偏置進行調整。XRD4460的偏置調整同樣是通過串口編程控制片內8位偏置寄存器。電源上電后默認的偏置設置值位08H，偏置調整范圍為02H～08H。

     (5)A/D模數轉換：XRD4460內部集成了10位分辨率、逐次比較式A/D轉換器，由于利用對分搜索的原理，轉換速率高達16MHz，這樣的轉換速度和轉換精度適合于大多數應用場合。

    (6)串行接口：XRD4460的串行接口包括了一個10bit的移位寄存器和多個并行寄存器，通過LOAD、SDI、SCLK三個信號來控制內部寄存器的寫入，實現對XRD4460工作參數的編程控制。

     CCD視頻信號處理電路的硬件設計

     CCD視頻信號處理電路以專用CCD視頻信號處理芯片XRD4460為核心部件，完成CCD視頻信號的放大、噪聲處理以及數字化，并使用CPLD(可編程邏輯器件)技術完成整個電路的邏輯控制，配以先進先出(FIFO)存儲器作為數據高速緩沖器，用于存儲AD轉換后的數據，并采用具有微控制器的USB接口芯片，從而通過USB接口將CCD數據輸入計算機。CCD視頻信號處理電路設計如圖2所示。大致可分為三個部分。

   
    圖2  CCD視頻信號處理電路設計框圖

     XRD4460視頻信號處理電路
     XRD4460專用CCD視頻信號處理芯片的工作時序需要根據具體的CCD芯片來確定。圖2中，SHD、SHP、RST、CLAMP信號必須依據CCD輸出信號的時序來設計。其時序關系如圖3所示。CCD輸出信號經過CCD信號處理器XRD4460處理，即進行雙相關采樣(CDS)去噪處理后，再經增益放大以及偏置調整，然后經過A/D轉換得到10位數字數據。這些數據在CPLD邏輯控制電路的控制下存人異步FIFO存儲器SN74V293中。而SDI、SCLK、LOAD是XRD4460的串口控制信號。通過串行接口，可以方便進行編程控制XRD4460的增益與偏置的調整，從而改善輸出圖像的質量。

   
    圖3  XRD4460工作時序圖

     FIFO與USB接口電路
    高速A/D變換的數據不能直接通過USB送入主機，需要通過FIFO來緩沖數據。電路采用TI公司SN74V293芯片。它的容量為65536×18或131072×9，最快讀寫周期為6ns，可以滿足100MHz采樣數據的存儲。設置SN74V293的輸入、輸出寬度為18位時，則其可存儲64K×10位的數據。FIFO寫時鐘W和復位信號/RS的時序關系如圖4所示。USB接口電路采用Cypress公司推出的EZ-USB芯片CY7C68013A，該芯片把USB2.0收發器、串行接收引擎SIE(Serial Inter face Engine)、帶16K的增強8051內核、4KBFIFO存儲器以及通用可編程接口GPIF(General  Programmable  Interface)集成一體，將其作為USB外部設備的主控芯片，而無需外加微控制器(MCU)便可實現USB芯片通信初始化以及與主機的通信連接。當FIFO中存入數據時，USB接口電路根據其標志信號(滿信號/半滿信號)讀取數據并發送給主機。

   
    圖4 FIFO寫控制時序

     CPLD邏輯控制電路
    邏輯控制電路由CPLD采用VHDL硬件描述語言編程實現，完成整個電路的邏輯控制，主要包括三部分的功能。第一部分的功能是為XRD4460提供工作時序(如圖3)。第二部分功能是向FIFO提供寫時鐘W和復位信號/RS，控制數據的順利寫入。第三部分功能負責XRD4460的串口設置。在CPLD中設計一個串行口和一個寄存器，其中串行口用來將寄存器中的數據發送給XRD4460進行功能設置；而寄存器用來存儲主機發送過來數據。主機通過CY7C68013A中的EP2端點發送數據。

     CCD視頻信號處理電路的軟件設計

     USB應用系統軟件設計分為三部分：USB外設端的固件(Firmware)、主機操作系統上的客戶驅動程序以及主機應用軟件。主機應用軟件通過客戶驅動程序與系統USBI(USBDeviceInterface)進行通信，由系統產生USB數據的傳送動作；固件則響應各種來自系統的USB標準請求，完成各種數據的交換工作和事件處理。

     USB接口編程
    固件程序是USB芯片內微處理器的控制程序，可采用匯編語言或單片機C語言設計。當系統上電時，固件程序通過USB電纜下載到CY7C68013A的內部RAM中。

    固件程序主要是實現USB通信。當主機與芯片進行USB通信時，會產生外部中斷0，通過中斷矢量寄存器來判斷。Setup_packed_Int、Input_endpoint0_Int、Output_endpoint0_Int這三個中斷主要用于與主機建立連接、進行控制傳輸或中斷傳輸；Input_endpoint1_Int、Output_endpoint1_Int這兩個中斷主要在批量傳輸時使用。在固件中分別執行不同的中斷程序來實現USB的數據傳輸。所有的中斷處理程序采用C語言進行編寫。

    主機軟件設計
首先開發CY7C68013A在主機中的驅動程序。用WinDK3.0開發了Win2000下的驅動程序，實現了控制傳輸、中斷傳輸和批傳輸的標準接口函數。在應用程序開發中，采用VC++編制應用程序。把USB設備當成文件來操作，利用CreateFile得到USB句柄，用Device Io Control來進行控制傳輸，用Read-File、WriteFile進行批量傳輸。主要實現兩個功能：一是完成采集的圖像的顯示；二是設置CCD視頻信號處理芯片，包括PGA增益、ADC偏置等工作參數的設置。

    結束語

    本文介紹了一種采用專用CCD視頻信號處理芯片和CPLD技術來設計的CCD視頻信號處理電路，并采用USB接口技術實現數據傳輸。電路不僅結構簡單，而且調試方便，易于實現。通過USB和CPLD技術對專用CCD視頻信號處理芯片的控制，實現了圖象亮度與對比度的可編程調節，改善了圖象質量，提高了電路的整體性能，同時USB接口傳輸速率快，且易于計算機連接。因此，該電路可廣泛應用于CCD相機系統的設計。

    論文創新點：該電路實現了圖像亮度與對比度的硬件可編程調節。