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基子線陣CCD的長(zhǎng)距離傳輸外總線的設(shè)計(jì)
摘要：介紹了線陣CCD光積分時(shí)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(shí)分復(fù)用傳輸外總線的設(shè)計(jì)，滿足了長(zhǎng)距離傳輸?shù)墓こ虒?shí)用要求。關(guān)鍵詞：線陣CCD 光積分時(shí)間 外總線 自適應(yīng)控制
線陣CCD在圖像傳感和測(cè)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(cè)量的工程化需要，設(shè)計(jì)出了基于線陣CCD的單同軸電纜雙向時(shí)分復(fù)用傳輸外總線。
在數(shù)據(jù)采集測(cè)量系統(tǒng)中，CCD視頻信號(hào)的最大幅度需要調(diào)理到ADC的滿量程。CCD信號(hào)的最大幅值的決定因素有三個(gè)：CCD器件的光電靈敏度、光積分時(shí)間和屯照度。在選定CCD器件后，該值只取決于光積分時(shí)間和光照度。
在不同工作現(xiàn)場(chǎng)和工作現(xiàn)場(chǎng)的不同時(shí)段，光強(qiáng)是經(jīng)常變化的，如果CCD器件的光積分時(shí)間固定，則光照度的變化將導(dǎo)致CCD視頻輸出信號(hào)幅值的變化。而實(shí)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(hào)最大幅值穩(wěn)定，這可通過(guò)光積分時(shí)間的自適應(yīng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。 在CCD信號(hào)采用二值化數(shù)據(jù)處理和像元細(xì)分處理過(guò)程中，一幀數(shù)據(jù)中被檢測(cè)對(duì)象的量測(cè)信息往往在邊界特征和像元信號(hào)的幅度最值位置，故光積分時(shí)間的改變不影響靜態(tài)被測(cè)量。
1 CCD器件驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)介
現(xiàn)以TOSHIBA的TCDl501C為例進(jìn)行介紹，其驅(qū)動(dòng)脈沖波形如圖1所示。
當(dāng)SH信號(hào)為低電平時(shí)，Φ1(包括Φ1O和Φ1E)電極下的勢(shì)阱和存儲(chǔ)柵勢(shì)阱隔離，CCD處于光積分狀態(tài)；當(dāng)SH為高電平時(shí)，SH電極下形成的深勢(shì)阱溝通了存儲(chǔ)柵勢(shì)阱和Φ1電極下的勢(shì)阱，信號(hào)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(shí)間。以像元信號(hào)的幅值為被控制量，通過(guò)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(shí)現(xiàn)光積分時(shí)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(hào)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(dòng)信號(hào)由CPLD產(chǎn)生，視頻輸出經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入同軸電纜。信號(hào)采集板通過(guò)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(hào)和光積分脈沖信號(hào)雙向時(shí)分復(fù)用單同軸電纜作為信號(hào)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(hào)頻率也隨之確定，CCD像元視頻信號(hào)移位輸出時(shí)間也就固定了。例如：TCDl501C共5076個(gè)像元(除5000個(gè)曝光像元外，還有前64個(gè)和后12個(gè)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(hào)輸出時(shí)間為5076／5MHz=1．0152ms。如果光積分時(shí)間為2ms，則在剩余近lms的時(shí)間內(nèi)，CCD輸出的是空操作，視頻信號(hào)幅值接近箝位高電平�？偩�原理和控制信號(hào)定時(shí)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(kāi)關(guān)電平，使光積分通道開(kāi)通。從定時(shí)關(guān)系中可見(jiàn)，光積分脈沖的下降沿啟動(dòng)ISA板和CCD傳感頭內(nèi)部邏輯計(jì)數(shù)器，同時(shí)使電纜兩端開(kāi)關(guān)控制信號(hào)由光積分通道切換到CCD信號(hào)通道。因?yàn)镃CD器
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