摘要：kai-02150圖像傳感器是kodak公司設(shè)計生產(chǎn)的全高清行間轉(zhuǎn)移ccd（charge-coupleddevice），有效圖像分辨率為1920×1080，支持四通道輸出，圖像zui高輸出幀率可達64fip·s-1，主要用于工業(yè)圖像、醫(yī)療圖像、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。文中針對kai-02150的參數(shù)特點設(shè)計了雙通道模擬前端采集電路，性能穩(wěn)定可靠，模式設(shè)置方便靈活，減輕了軟件設(shè)計的負擔(dān)。
kai-02150圖像傳感器是kodak公司設(shè)計生產(chǎn)的全高清行間轉(zhuǎn)移ccd（charge-coupleddevice），有效圖像分辨率為1920×1080，支持四通道輸出，圖像zui高輸出幀率可達64fip·s-1，主要用于工業(yè)圖像、醫(yī)療圖像、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。
ccd的模擬前端采集電路設(shè)計主要用于對ccd提供水平和垂直驅(qū)動時鐘信號，放大調(diào)理ccd輸出的模擬信號，對ccd輸出模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，提供必要的幀和行的同步信號來進行數(shù)字視頻信號的輸出。所以ccd模擬前端采集電路的設(shè)計對于整個數(shù)字攝像機的zui后成像質(zhì)量起著重要的作用。一般如sony公司針對所生產(chǎn)的ccd都提供了相應(yīng)的前端采集電路的參考設(shè)計方案，但kodak公司沒有在技術(shù)文檔中提供相關(guān)信息。文中針對kai-02150的參數(shù)特點設(shè)計了雙通道模擬前端采集電路，性能穩(wěn)定可靠，模式設(shè)置方便靈活，減輕了軟件設(shè)計的負擔(dān)。
1、kai-02150圖像傳感器芯片簡介
kodak公司生產(chǎn)的kai-02150是一款1080p的2／3”大小的逐行掃描行間轉(zhuǎn)移ccd傳感器，其主要特征有：噪聲低、動態(tài)范圍寬、成像性能出色、信號讀出結(jié)構(gòu)靈活，支持1、2或者4通道信號同時采集，全分辨率圖像zui高采集速度可達64fip·s-1。kai-02150在水平時鐘頻率達到40mhz時，其雙通道輸出幀率可以達到33fip·s-1，*普通安防監(jiān)控的需要。
2、雙通道模擬前端采集電路的設(shè)計
2．1模擬前端采集電路總體設(shè)計思路
kai-02150在進行光電轉(zhuǎn)換的同時需要外部對其提供水平和垂直時鐘等驅(qū)動信號，使得每個像素的模擬電壓值進行串行輸出。ccd信號采集處理芯片ad9920a可以在提供必要的水平和垂直時鐘時序信號的同時對ccd模擬輸出信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并輸出相應(yīng)的視頻同步信號。由于kai-02150的驅(qū)動信號電平要求與ad9920a時序信號輸出電平不相符，需設(shè)計時鐘驅(qū)動電路對水平、垂直驅(qū)動與電子快門等信號進行電平的轉(zhuǎn)換，同時起到隔離、緩沖、提高帶負載能力等功能。在整個采集過程中，需要對ad9920a進行初始化和對采集到的雙通道視頻信號進行幀圖像的合成和預(yù)處理，文中使用fpga控制ad9920a的初始化和視頻采集傳輸過程。
文中采用的模擬前端采集電路主要由ccd傳感器、時序控制采集電路、時鐘驅(qū)動電路組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。fpga對模擬前端采集電路進行初始化并對采集到的視頻進行預(yù)處理。
2.2 控制采集電路的設(shè)計
傳統(tǒng)ccd時序控制采集電路主要由cpld和相關(guān)雙采樣a／d芯片組成，垂直時鐘由cpld提供，而水平時鐘和電荷復(fù)位時鐘則由a／d芯片提供。為滿足多種工作模式的切換，必須預(yù)存多種驅(qū)動時鐘的輸出樣式，這樣需要在cpld中編寫多種垂直時鐘時序樣式，大大增加了代碼開發(fā)的工作量。此外傳統(tǒng)方案外圍電路復(fù)雜，驅(qū)動時鐘信號源需要cpld和a／d同時提供，在集成度、靈活性和穩(wěn)定性上都有所欠缺。
文中采用兩片analogdevice公司生產(chǎn)的ad9920a來進行的ccd時鐘信號時序的輸出和對ccd信號的進行a／d轉(zhuǎn)換。ad9920a主要特點如下：12位40．5mhz模數(shù)轉(zhuǎn)換器；內(nèi)置相關(guān)雙采樣控制電路；集成時序控制器；支持24路可編程垂直時鐘信號輸出。由于所有驅(qū)動時鐘和復(fù)位信號均由ad9920a提供，與傳統(tǒng)方案相比，文中采用的方案可以通過spi接口配置ad9920a自身寄存器，預(yù)存多種時鐘驅(qū)動樣式，更加靈活方便地進行配置出多種攝像機工作模式，并且具有更高的穩(wěn)定可靠性。
方案中所采用的兩片ad9920a中一片工作在master模式，用來提供ccd所需的水平垂直時鐘、電荷復(fù)位信號和電子快門信號，并對通道a的ccd信號進行采集。另外一片工作在slave模式，對通道b進行信號采集。工作在master模式的ad9920a產(chǎn)生的hd和vd同步信號輸入到slave模式的ad9920a，以便同步ccd數(shù)字信號輸出，在fpga中雙通道采集的圖像可以得到還原。
2．3時鐘驅(qū)動電路的設(shè)計
kai-02150的時鐘驅(qū)動信號高低電平要求各不相同，前級ad9920a所提供的ttl時鐘信號必須通過時鐘驅(qū)動電路來進行電壓轉(zhuǎn)換，以符合ccd驅(qū)動電平的要求。
時鐘驅(qū)動電路主要作用是為時鐘信號提供直流偏置與增大時鐘驅(qū)動能力。文中采用dc12v電壓供電，由雙通道dc／dc轉(zhuǎn)換器lt3471得到16v和-10v電壓，后經(jīng)ldo穩(wěn)壓芯片lt1964和lt1761得到ccd垂直時鐘所需的-9v和12v直流偏置電壓。而水平時鐘信號、復(fù)位信號和電子快門的直流偏置電壓則主要由兩片雙極性d／a轉(zhuǎn)換器ad5734r產(chǎn)生，后經(jīng)lt1010電源緩沖器來提高電流輸出能力。
前級master模式的ad9920a輸出的水平時鐘信號與復(fù)位信號經(jīng)74lcx5418路三態(tài)cmos緩沖器輸入。為避免信號產(chǎn)生過多失真，在pcb布線時hl、h1、h2和rg走線的電感應(yīng)非常低。為使互感zui小，互補信號h1和h2的布線應(yīng)盡可能對稱并靠近。h5和h6信號也應(yīng)如此。ccd對hl和h1至h6有很大的瞬變電流要求，因此使用較寬的pcb走線。
垂直時鐘信號經(jīng)ixdd604高速mosfet驅(qū)動器輸入到ccd，垂直時鐘信號vib有高中低3個電平狀態(tài)。文中使用ad9920a輸出的兩個垂直時鐘信號經(jīng)過兩片ixdd604來產(chǎn)生所需要的v1b時鐘。如圖2所示，當(dāng)v1b_h為低時，u22的vcc為0v，v1b可以根據(jù)v1b_ml輸出中低電平。當(dāng)v1b_h為高時，u22的vcc為12v，保持v1b_ml為高使得v1b輸出12v。
電子快門信號的直流偏置電壓由ad5734r和lt1761提供，vsub信號由ad9920a的gpo經(jīng)過三極管推挽放大電路后產(chǎn)生。
3、ad9920a的寄存器相關(guān)設(shè)置
3．1相關(guān)雙采樣控制與水平時鐘時序設(shè)置
ccd理想的模擬信號輸出波形如圖3所示。圖3（a）中，在時刻1，電荷復(fù)位信號rg清除輸出電荷存儲器中的電荷，在時刻2，輸出電壓為ccd復(fù)位噪聲電平rsl，在時刻3，輸出電荷存儲器中的電荷轉(zhuǎn)化為電壓輸出，輸出電壓為感光信號電平、復(fù)位噪聲電平與暗參考電平的和sgl。使用相關(guān)雙采樣技術(shù)來對sgl與rsl的差值△v進行采樣，得到感光信號電壓值，并消除了復(fù)位噪聲電平的影響。同時對暗參考電平進行采樣，△v減去暗參考電平得到感光信號電平。
ad9920a中內(nèi)置相關(guān)雙采樣電路，主要由寄存器shploc和shdloc來控制rsl和sgl的采樣時刻。shp、shd是通過將主時鐘周期分為64個邊沿時刻，相對于寄存器值被映射到4個象限中，每個象限包含了16個邊沿時刻。而數(shù)據(jù)輸出dataclk相位可以通過doutphase寄存器進行編程，可以設(shè)置從0～63的任何時刻。通過配置0x38地址的寄存器來設(shè)置shploc和shdloc的值，從而對應(yīng)了rsl和sgl在一個像素周期中的采集時刻。為使切換噪聲zui小，應(yīng)將doutphase寄存器設(shè)置為與shp采樣位置相同的邊沿，或者設(shè)置為shp采樣位置之后zui多11個邊沿時刻，不應(yīng)處于shd采樣位置與shd位置之后的11個邊沿之間。
在每個ccd感光器件的周圍都有一些不感光的區(qū)間，這些就是暗像素區(qū)。通過ad9920a寄存器設(shè)置，將clpob使能在這些區(qū)間。當(dāng)clpob使能后，ad9920a內(nèi)部的電路就會自動計算出這些暗參考電平的平均值。zui終ad9920a輸出的數(shù)據(jù)是減掉暗參考電平后的有效值。暗像素參考電平采樣位置取決于ccd，對于kai-02150，取行首的前20個暗像素來計算暗參考電平。
3．2水平垂直時鐘時序設(shè)置
ccd水平時鐘時序的設(shè)置主要是對master模式的ad9920a的寄存器0x30～0x34進行配置，從而確定h1、h2、hl、rg在一個像素周期內(nèi)上升沿和下降沿的位置。進一步設(shè)置寄存器0x36和0x37來配置ad9920a的水平時鐘輸出的驅(qū)動電流強度。
ad9920a的垂直時鐘時序設(shè)置比較靈活，通過預(yù)設(shè)多組v-pattern、v-sequence、field寄存器可以組合出多種工作模式。在攝像機工作時，只需修改mode寄存器就可以在多種工作模式間進行切換。根據(jù)kai-02150的datasheet提供的垂直時鐘時序圖所示，ccdzui后一行像素輸出所需垂直時鐘和其他行不同。所以對工作在master模式的ad9920a設(shè)置了2組v-pattern寄存器、2組v-sequence寄存器，并根據(jù)需要設(shè)置了3組field寄存器，來獲得3種工作模式。
3．3電子快門設(shè)置
文中采用ad9920a的gpo04作為ccd的電子快門信號。ad9920a的gpo04既可以作為普通i／o口使用，又可以和片內(nèi)xsubck信號相連而作為xsubck輸出。通過配置0x8e、0x8f、0x90寄存器的值，來控制電子曝光時間的長短。
4、實驗測試結(jié)果
通過后級fpga按照ad9920a的
datasheet上提供的上電順序進行寄存器配置，ad9920a就可以輸出采集到的bayer陣列格式的數(shù)字視頻信號。經(jīng)過一系列的調(diào)試后，保證ccd水平垂直驅(qū)動時鐘信號、電荷復(fù)位信號、電子快門信號均符合kai-02150的參數(shù)需求，獲得數(shù)字高清圖像。示波器采集到的主要信號波形如圖5所示，其中，圖4（a）是水平驅(qū)動時鐘，上方是h1sa，下方是h2sa；圖4（b）是垂直驅(qū)動時鐘，上方是v1b，下方是v3b；圖4（c）是ccd輸出的模擬信號與rg復(fù)位信號，上方是video_a，下方是rg_a；zui終通過后級dsp處理模塊網(wǎng)絡(luò)輸出到上位機的圖像如圖5所示。
5、結(jié)束語
文中針對kodak公司的kai-02150設(shè)計了完整的ccd雙通道模擬前端采集電路。相對于傳統(tǒng)的cpld與cds&a／d轉(zhuǎn)換器的設(shè)計方案相比，采用兩片ad9920a的設(shè)計方案更加靈活可靠，可以滿足更多工作模式切換的需要。通過fpga對一主一從兩片ad9920a進行寄存器配置，經(jīng)過時鐘驅(qū)動電路的調(diào)理，輸出滿足kai-02150時序要求的驅(qū)動信號，驅(qū)動kai-02150輸出模擬視頻信號。zui后通過ad9920a的相關(guān)雙采樣、可變增益和模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字視頻信號。經(jīng)過上位機處理得到圖像，驗證了整個硬件設(shè)計方案和ad9920a寄存器配置的正確性。