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基子線陣CCD的長距離傳輸外總線的設(shè)計
摘要：介紹了線陣CCD光積分時間的自適應(yīng)控制原理，推出了外總線接口電氣協(xié)議，完成了單同軸電纜雙向時分復(fù)用傳輸外總線的設(shè)計，滿足了長距離傳輸?shù)墓こ虒嵱靡蟆?br /> 關(guān)鍵詞：線陣CCD光積分時間外總線自適應(yīng)控制線陣CCD在圖像傳感和測量技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)欣極為迅速。為滿足自適應(yīng)測量的工程化需要，設(shè)計出了基于線陣CCD的單同軸電纜雙向時分復(fù)用傳輸外總線。
在數(shù)據(jù)采集測量系統(tǒng)中，CCD視頻信號的最大幅度需要調(diào)理到ADC的滿量程。CCD信號的最大幅值的決定因素有三個：CCD器件的光電靈敏度、光積分時間和屯照度。在選定CCD器件后，該值只取決于光積分時間和光照度。
在不同工作現(xiàn)場和工作現(xiàn)場的不同時段，光強(qiáng)是經(jīng)常變化的，如果CCD器件的光積分時間固定，則光照度的變化將導(dǎo)致CCD視頻輸出信號幅值的變化。而實際上所希望的是，在光照度變化的情形下，應(yīng)保持視頻輸出信號最大幅值穩(wěn)定，這可通過光積分時間的自適應(yīng)控制來實現(xiàn)。在CCD信號采用二值化數(shù)據(jù)處理和像元細(xì)分處理過程中，一幀數(shù)據(jù)中被檢測對象的量測信息往往在邊界特征和像元信號的幅度最值位置，故光積分時間的改變不影響靜態(tài)被測量。
1CCD器件驅(qū)動簡介
現(xiàn)以TOSHIBA的TCDl501C為例進(jìn)行介紹，其驅(qū)動脈沖波形如圖1所示。
當(dāng)SH信號為低電平時，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)電極下的勢阱和存儲柵勢阱隔離，CCD處于光積分狀態(tài)；當(dāng)SH為高電平時，SH電極下形成的深勢阱溝通了存儲柵勢阱和Φ1電極下的勢阱，信號電荷包全部轉(zhuǎn)到移位寄存器，而后在Φ1E，O，B和Φ1E，O，B脈沖的作用下依次移位，最后經(jīng)輸出電路由OS端輸出。
SH的脈沖周期即為光積分時間。以像元信號的幅值為被控制量，通過改變SH的脈沖周期使視頻輸出的幅度最值保持在ADC的滿量程，從而實現(xiàn)光積分時間的自適應(yīng)控制。
2系統(tǒng)組成
該采集系統(tǒng)包括三大部分：CCD傳感頭、信號采集板和微型機(jī)。傳感頭和采集板之間采用單同軸電纜作為雙向復(fù)用傳輸總線，其原理框圖如圖2所示。
CCD的各驅(qū)動信號由CPLD產(chǎn)生，視頻輸出經(jīng)過驅(qū)動器進(jìn)入同軸電纜。信號采集板通過ISA口和微機(jī)接口，板上采用FPGA作為電路的邏輯控制器，光積分脈沖由FPGA產(chǎn)生，其周期的調(diào)節(jié)由FPGA的VHDL軟件或微機(jī)采集軟件控制。在接口協(xié)議的調(diào)控下，將CCD視頻信號和光積分脈沖信號雙向時分復(fù)用單同軸電纜作為信號和控制的傳輸總線。
3總線的電氣接口原理
CCD傳感頭中晶振選定后，Φ1和Φ2的信號頻率也隨之確定，CCD像元視頻信號移位輸出時間也就固定了。例如：TCDl501C共5076個像元(除5000個曝光像元外，還有前64個和后12個啞元)，晶振頻率為20MHz，CPLD輸出的Φ1和Φ2頻率為2．5MHz，視頻輸出速率為5MHz，所以一幀CCD信號輸出時間為5076／5MHz=1．0152ms。如果光積分時間為2ms，則在剩余近lms的時間內(nèi)，CCD輸出的是空操作，視頻信號幅值接近箝位高電平�？偩�原理和控制信號定時關(guān)系圖如圖3所示。
系統(tǒng)在上電初始狀態(tài)設(shè)置同軸電纜兩端開關(guān)電平，使光積分通道開通。從定時關(guān)系中可見，光積分脈沖的下降沿啟動ISA板和CCD傳感頭內(nèi)部邏輯計數(shù)器，同時使電纜兩端開關(guān)控制信號由光積分通道切換到CCD信號通道。因為CCD器件首先輸出的是一定數(shù)量的啞元信號，所選擇的SPDT(單刀雙擲)開關(guān)的開關(guān)切換時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于前面啞
元信號的總輸出時間，故開關(guān)切換到CCD信號通道的時間對于曝光像元信號的輸出沒有任何影響。當(dāng)計數(shù)到5076或5064(不計后12個啞元)時，電纜兩端兩開關(guān)控制信號再次變換極性，使電纜切換到光積分脈沖信號通道。其實，只要在下一個光積分脈沖到來前的空操作的任何時刻完成通道切換即可。
原本最顯然且直接的設(shè)計方案是采用另一條規(guī)范的總線(比如422總線)來專門傳輸由ISA板輸出的光積分控制信號，而由CCD視頻信號獨占同軸電纜，這樣也可滿足工程化的要求；而且422總線的雙絞線在惡劣環(huán)境下的傳輸距離和抗干擾性能也令人可以接受。
不過比較來說，單同軸電纜雙向復(fù)用總線更有優(yōu)越性。
第一，原理更加簡潔實用，其接口協(xié)議比422接口協(xié)議還簡單；
第二，兩端切換開關(guān)的介入并不影響視頻信號的傳輸，而且開關(guān)的切換是在一幀CCD信號的兩端外，其可能產(chǎn)生的瞬變電壓或電壓波動影響不到整幀有效信號；
第三，控制信號的產(chǎn)生也很方便。熟悉VHDL或Verilog語言的人都清楚，在CPLD或FPGA編程中，新增一個計數(shù)器(或本來設(shè)有計數(shù)器)并增加幾條計數(shù)判斷控制指令，鎖定外部一管腳輸出控制信號，就實現(xiàn)了SPDT開關(guān)控制功能；
圖6
第四，總線帶寬和傳輸距離的優(yōu)越性明顯，與同軸電纜達(dá)400MHz的帶寬和300m~500m的傳輸距離相比，雙絞線顯然遜色；
第五，節(jié)省外部連接線，安裝簡單。例如。一塊ISA采集板采集4路CCD傳感頭，如果采用422總線接口傳輸光積分脈沖，則需要4組共8根雙絞線，而采用單同軸電纜雙向時分復(fù)用傳輸總線，則用4根同軸電纜就夠了，連接操作也再簡單不過；
圖7
第六，同軸電纜抗干擾性也比雙絞線好，更好地滿足了工程實用化的嚴(yán)格要求。
圖8
該單同軸電纜雙向復(fù)用傳輸外總線已經(jīng)應(yīng)用于高精度CCD角度傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。
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