视频监控用线阵CCD摄像机的设计

2007 年 第 21 卷 第 5 期 测 试 技 术 学 报 V o l. 21　N o. 5　2007 (总第 65 期) JOURNAL OF TEST AND M EASUREM ENT TECHNOLOGY (Sum N o. 65) 文章编号: 167127449 (2007) 0520434206 视频监控用线阵 CCD 摄像机的MATCH_ word word文档格式规范word作业纸小票打印word模板word简历模板免费word简历 _1713857463232_2Ξ 蔡荣太1, 2, 王延杰1 (1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 图像室, 吉林 长春 130033; 2. 中国科学院 研究生院, 北京 100039) 摘　要: 　分析了 CCD 摄像机的成像过程和组成原理, 围绕 TH 7814A 线阵 CCD 图像传感器设计了适用于 大幅面图像采集和处理的视频监控系统使用的线阵 CCD 摄像机. 该摄像机用 FPGA 实现 CCD 驱动脉冲的 生成和大部分的逻辑功能, 具有电路稳定、设计灵活和方便功能修改等特点; 用专用驱动芯片驱动 CCD , 具 有电路简单、参数一致的特点; 用模拟前端 A FE (analog fron t2end)调理 CCD 的输出信号简化电路设计, 并 有效地抑制复位噪声; 用 ICS525202 倍频器提供时钟输入, 使系统具有工作频率可调的特点; 用 Cam era L ink 输出接口, 便于和同类型接口的图像采集卡联合使用; 用 R S232 控制接口, 方便上位机对摄像机的配 置和控制, 并给出了一些应用实例. 关键词: 　CCD 摄像机; 驱动时钟; 模拟前端; Cam era L ink; 现场可编程门阵列 中图分类号: 　T P941. 1; N 941. 1　　文献标识码: A D esign of L inear CCD Cam era for V ideo M on itor CA I Rongta i1, 2, W AN G Yan jie1 (1. Im age L ab, Changchun Institu te of Op tics, F ine M echan ics and Physics, Ch inese A cadem y of Science, Changchun 130033, Ch ina; 2. Graduate Schoo l of the Ch inese A cadem y of Science, Bejing 100039, Ch ina) Abstract: 　 Im aging p rocess and compo sit ion p rincip le of CCD cam era are analyzed. A CCD cam era based on TH 7814A linear CCD sen so r is designed, w h ich can fu lf ill the needs of video mon ito r w ith large area im age cap tu re and p rocessing. FPGA is emp loyed to genera te the CCD drive pu lse and imp lem en t mo st of the system ’s logic funct ion s, w h ich gives the cam era the characters of stab le circu it and alterab le funct ion; Specia l drive ch ip s are emp loyed to drive the CCD sen so r, w h ich simp lif ies the circu it and un if ies the circu it param eters; A FE (analog fron t2end) is emp loyed to p re2p rocess the CCD ou tpu t signal, w h ich simp lif ies the circu it and reduces the reset no ise of the CCD; ICS525202 configu rab le clock is emp loyed to supp ly the FPGA w ith frequency2adju stab le clock; Cam era L ink in terface is designed fo r easy connect ion of cam era w ith im age cap tu re cards; R S232 in terface is designed to realize easy configu ra t ion and con tro l of the mon ito r compu ter to the cam era. A t last, som e app lica t ion samp les of linear CCD are p resen ted. Key words: CCD cam era; drive pu lse; analog fron t2end; cam era link, FPGAΞ 收稿日期: 2006212217 　基金项目: 国家 863 基金资助项目 (2006AA 703405F) 　作者简介: 蔡荣太 (19792) , 男, 博士生, 主要从事图像的采集和处理, 目标识别和跟踪的研究. 0　引　言 线阵 CCD 主要应用于图文扫描、非接触测量[1 ]、光学计量[2 ]和航空拍摄[3 ]等领域. 在大视场、全方 位视频监控系统等一些特殊场合, 需要用高速线阵 CCD 摄像机实时采集大幅面全方位的图像. 本文针 对这类特殊需要, 围绕A tm el TH 7814A CCD 图像传感器, 设计了适用于高速大幅面 360°全方位图像采 集的线阵 CCD 摄像机. 1　CCD 摄像机的设计 1. 1　CCD 的驱动和模拟前端处理电路 1. 1. 1　A tm el TH 7814A CCD 图像传感器及其驱动 TH 7814A CCD [4 ]具有 2 048 个像素, 数据率可达 50 M H z, 且具有低噪声和抗晕等特点, 可以满足 实时大幅面图像采集的需要. TH 7814A CCD 的驱动时钟信号分为传输门时钟、读出寄存器时钟、复位 时钟和抗晕时钟. 传输门时钟 ФP 用于将光生电子从存储区转移到移位寄存器中, 读出寄存器时钟 ФL 用于将电荷包转移到读出节点, 复位时钟 ФR 用于一个电荷包读出后接收下一个电荷包前的浮置栅放大 器复位, 抗晕时钟 ФA 用于成像过程中的曝光时间控制. TH 7814A CCD 有两个输出通道VO S1, VO S2 和两个读出寄存器时钟 ФL 1, ФL 2. 驱动电路完成对驱动时钟脉冲的电平转换和电流放大, 以满足 CCD 正常工作所需的较大的驱动时 钟脉冲幅度和驱动电流的要求. 设计中, CCD 的驱动时钟由时钟发生器生成, 时钟发生器以计数器、分 频器等逻辑电路的形式在 EP1K50 FPGA 内部实现. 驱动芯片把时钟发生器生成的驱动脉冲从 3. 3V 提 高到 9 V 用于驱动 CCD , 如图 1 所示. 其中, ФL 1, ФL 2, ФP 和 ФR 的高电平为 9 V , 低电平为 0 V , 用 EL 7222 和 EL 7202 驱动, ФA 高电平为 9 V , 低电平为 4 V , 采用V ishay 公司的高速模拟开关D G407B 驱动. 以时钟发生器产生的低电平时钟脉冲 # A 控制该芯片, 使其输出在 S1a 和 S2a 之间切换, 而 S1a 和 S2a 分别接 4 V 和 9 V 电压, 从而达到按 # A 波形驱动的目的. 图 1　CCD 驱动和模拟前端处理电路 F ig. 1　CCD driver and analog fron t2end p rocessing circu it 534(总第 65 期) 视频监控用线阵 CCD 摄像机的设计 (蔡荣太等) 1. 1. 2　CCD 输出信号的模拟前端处理 CCD 输出的模拟电信号需要经过一定的调理、放大、AD 转换等处理之后才能为后续系统所用, 同 时为抑制复位噪声, 需要加入相关双采样 CD S (Co rrela ted Doub le Samp le) 电路. A FE 是一种专用的模 拟信号调理器, 内部集成了放大、嵌位、ADC 和 CD S 等电路, 可以满足 CCD 输出信号的调理需要. 设 计的摄像机用AD 公司的AD 9826 [5 ]A FE 调理 CCD 的输出信号. AD 9826 是专为成像系统设计的模拟 处理器, 共有三通道, 每通道数据率可达 15 M SPS. 通过内部寄存器和 3 线双向串行口 (串行时钟信号 线 SCL K、传输有效信号线 SLOAD 和串行数据线 SDA TA )可以调节A FE 的增益、偏置和工作模式等. 设计的摄像机采用AD 9826 的两通道输出方式, 用V IN G 和V IN R 通道分别接收 CCD 的奇偶两路输出 VO S1 和 VO S2. 由时钟发生器模块为其提供工作所需的三路时钟信号: CD S 采样时钟 CD SCL K1, CD SCL K2 和 ADC 转换时钟ADCCL K. CCD 的输出VO S1 和VO S2 在接入AD 9826 的输入V IN G 和 V IN R 之前, 用两个电压跟随器电路进行功率放大, 如图 1 所示. 1. 2　CCD 摄像机的控制接口 控制接口由A T 89L S8252 单片机和 EP1K50 FPGA 共同实现. 单片机和上位机的通信采用 R S232 串口 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 , 由M A X3232 和单片机的串口收发程序实现. 单片机接收来自上位机的控制命令, 通过 P0 口 和 P2 口 (提供地址) 送到 FPGA 的控制接口模块. FPGA 的控制接口模块分析控制命令, 判别该命令 是: ① 读取 CCD 的工作参数; ② 改写 CCD 的工作参数; ③ 从A FE 寄存器中读取数据; ④ 改写A FE 的工作参数等. 然后使能相应的 CCD 工作参数寄存器读写模块或A FE 串口通信模块等实现对摄像机工作参数 (如 曝光时间、增益和偏置等)的配置和调节. 该功能用状态机实现. 图 2　摄像机的控制接口电路及接口时序图 F ig. 2　Contro l in terface and in terface schedu le betw een FPGA and M CU FPGA 工作在 (36～ 196) M H z 之间, 单片机工作在 11. 059 2 M H z. 单片机处在主导地位, 通过 FPGA 对单片机控制线的检测以及4 个专用握手信号达到不同工作频率器件之间的协同工作. 4 个专用 握手信号为: FPGA 发送给单片机的传输请求信号 T rqt、单片机发给 FPGA 的传输允许信号 T cm t、单 片机发给 FPGA 的接收请求握手信号 R rqt 和 FPGA 送给单片机的接收准备好信号 R rdy. 此外还有对 FPGA 复位的专用 R ST 信号以及选择外同步触发工作方式的 SelEx syn 信号. 同时, 单片机还提供 Cam era L ink 所需的 R S644 控制信号 SerTC+ 、SerTC- 、SerT FG+ 和 SerT FG- , 并通过 P1. 2, P1. 3 和 P1. 4 控制 ICS525202 倍频器的倍频输出. 图 2 (a) 给出了 CCD 摄像机的控制接口电路, 图 2 (b) 给出 了 FPGA 和单片机的接口时序图. 1. 3　CCD 摄像机的数据输出接口 设计的摄像机数据输出接口采用 Cam era L ink 协议. A FE 输出的两个 8 b its 信号在 FPGA 里面重 新合成 16 b its, 接入 Channel L ink 编码芯片D S90CR 213, 取 12 b its 为有效位形成最终的摄像机输出数 634 测 试 技 术 学 报 2007 年第 5 期 图 3　Cam era L ink 接口电路 F ig. 3　Cam era L ink in terface circu it 据. 除像素数据之外, 时钟发生器还根据 内部时序关系为数据输出接口提供 Cam era L ink 协议所需的像素时钟信号 PCL K、行有效信号LVAL 和数据有效信 号 DVAL. 为满足 Cam era L ink 协议要 求, 还通过 A T 89L S8252 单片机、LVD S 芯片 D S90LV 047 和 D S90LV 048 提供 R S644 串口控制信号和外同步信号 Ex syn 的 差 分 信 号 通 路 SerTC + (R xD + )、SerTC- (R xD - )、SerT FG+ (T xD + )、SerT FG- (T xD - )、Ex+ 和 Ex- , 如图 3 所示. 1. 4　CCD 摄像机的时钟发生电路 为了时序统一和同步, 除了单片机子 系统之外, 摄像机各个组成模块所需的工 作时钟都由同一个时钟发生器模块生成. 时钟发生器由 EP1K50 FPGA 实现. FPGA 的输入时钟为 16 M H z 晶振经过 ICS525202 可配置倍频器倍频后的输出. ICS525 [6 ]是可配置专用倍频器, 最高输出 频率可达 250M H z. A T 89L S8252 单片机 通过 ICS525 的 V 3, V 4 和 V 5 管脚控制 ICS525 的倍频输出. 图 4 (a) 所示电路可提供表 1 所列的倍频输出, 最高工作频率 (196 M H z) 下可使摄 像机的行频达 15 kH z. 关于 ICS525 倍频器的使用方法可参见 表 1　 ICS525202 倍频输出时钟频率 Tab. 1　M ultip ly frequency ou tpu t of ICS525202 V 5 V 4 V 3 频率öM H z 0 0 0 36 0 0 1 68 0 1 0 100 0 1 1 132 1 0 0 164 1 0 1 196 其器件手册[6 ]. FPGA 通过计数和分频等逻辑电路产生所需的各路时钟 信号. 时钟发生器提供的时钟信号包括: ① CCD 的驱动脉冲 # L , # P, # R , # A ; ② A FE 的工作时钟信号 ADCCL K, CD SCL K1, CD SCL K2, A FE 串口时钟 SCL K 和使能信号 SLOAD; ③ Cam era L ink 接口的LVAL , DVAL 和 PCL K 信 号; ④ FPGA 内部各个子模块的工作时钟等. 图 4 (b) 为用 FPGA 实现的 CCD 和A FE 的驱动时钟脉冲. 时钟发生器的详 细设计见文献[ 7～ 9 ]. 1. 5　CCD 摄像机的电源及其它电路 电源电路: ① 为CCD 提供抗晕偏置电压VA (15 V )、输出放大器源偏置电压 (15 V )、复位偏置电压 VDR (14 V )、存储门偏置电压V ST (2. 4 V )和寄存器输出门偏置V GS (2. 4 V ) ; ② 为驱动芯片提供较大 的电压 (9 V )和电流, 以满足 CCD 正常工作所需的较大的驱动电流和驱动时钟脉冲幅度的要求; ③ 同时 为系统的其它芯片提供必要的电力支持 (Ep 1K50 内核电压为 2. 5 V , 管脚电压为 3. 3 V ; AD 9826 为 5 V ; 其它逻辑器件为 3. 3 V ). 电源电路主要是 DCöDC 变换电路. 系统由 + 12 V 单电源供电, 通过 L T 3477 调节产生 15 V 和 14 V 电压, 通过LM 294029. 0 产生 9 V 电压, 通过LM 294025. 0 产生 5 V 电 压. 再以 5 V 电压作为输入, 通过 L T 176422. 5 和 L T 176423. 3 产生 2. 5 V 电压和 3. 3 V 电压, 由 L T 1585 调节产生 2. 4 V 电压和 4 V 电压. 734(总第 65 期) 视频监控用线阵 CCD 摄像机的设计 (蔡荣太等) 除以上模块之外, 还有支持系统工作的其它电路模块, FPGA 的程序存储器电路 (存储器采用 EPC2L C20 EPROM ) 和 JTA G 编程电路等. 图 4　时钟倍频电路和驱动时钟脉冲 F ig. 4　M ultip ly frequency circu it and drive pu lse 2　设计结果与分析 设计的 CCD 摄像机由 CCD 传感器、A FE、FPGA、单片机、驱动芯片、Channel L ink 编码芯片等构 成, 如图 5 所示. CCD 驱动时序发生器、CCD 控制接口的部分功能、数据输出接口的数据缓存等功能用 EP1K50 FPGA 实现. 除了 Channel L ink 编码之外, 系统的其它逻辑功能全部由 FPGA 和单片机实现, 从而简化系统的电路设计和电路板体积, 提高系统的稳定性. 除单片机之外, 系统的各个模块的工作时 钟由一个时钟发生器提供, 实现各个模块的时序统一和同步. 驱动电路采用专用集成芯片, 克服了用分 立的M O S 管驱动带来的电路设计问题和参数匹配问题. EL 7202 和 EL 7222 能够提供 10 n s 的上升沿时 间和下降沿时间, V ishay 的D G407B 能够提供 5 n s 的上升沿和下降沿时间, 满足驱动时钟的时间要求. 采用A FE 调理 CCD 的输出信号, 简化了电路设计, 并有效地抑制了 CCD 的复位噪声. 采用 ICS525202 可配置倍频器为 FPGA 提供时钟, 可以方便改变系统的工作频率, 同时降低所用晶振的频率. 采用 R S232 控制接口便于上位机的控制, 采用 Cam era L ink 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 接口有利于和同样标准接口的图像采集卡结 合使用, 采用 12 V 供电能够和大部分的摄像机供电系统兼容. 图 5　线阵 CCD 摄像机组成原理 F ig. 5　Compo sition p rincip le of linear CCD cam era 834 测 试 技 术 学 报 2007 年第 5 期 3　应用范围 设计的 CCD 摄像机主要应用于 360°大幅面全景图的采集, 为后续的视频图像分析和目标的检测、识 别、跟踪测量等任务服务. 图像的采集过程是: 将摄像机绕固定点旋转拍摄获取图像序列, 并将这些图像序 列合成的 360°的柱面和球面全景图. 由于球面全景图的合成比较复杂, 所以柱面全景图的应用比较广泛. 4　结　论 分析了 CCD 摄像机的工作原理, 以 TH 7814A CCD 为核心, 用 A FE, Channel L ink 编码芯片、 FPGA 的单片机等设计了线阵 CCD 摄像机. 该摄像机的最高行频可达 15 kH z, 具有低噪声、工作频率 可调和积分时间可调等特点, 满足实时视频监控系统大幅面 360°全方位图像采集的需要. 该系统的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 也可应用于类似的图像采集设备, 如航空拍摄用 TD I2CCD 摄像机、红外 CCD 和微光 CCD 等, 具 有较大的应用价值和推广价值. 参考文献: [1 ]　王天煜, 马和, 张树森. 同轴误差的非接触精密测量方法[J ]. 测试技术学报, 2003, 17 (2) : 1352137. 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