KAI-02150的CCD模擬前端采集電路設計

2015-06-08

摘要 針對Truesense Imaging(原柯達Image sensor solutions部門)生產的CCD圖像傳感器KAI-02150,設計了雙通道模擬前端采集電路。給出了電路的結構組成,根據KAI-02150的驅動和輸出參數要求設計了各個模塊的具體電路。通過SPI接口對AD9920A的寄存器進行配置,可以滿足多種工作模式切換的需要。與傳統的CCD模擬前端采集方案相比,文中的設計更加靈活簡單、穩定可靠。測試表明,設計的輸出驅動時鐘滿足KAI-02150的輸入要求,可以驅動CCD輸出模擬信號,并完成相關雙采樣和A/D轉換得到數字視頻信號。
關鍵詞 KAI-02150;CCD;模擬前端采集;AD9920A

    KAI-02150圖像傳感器是Truesense Imaging設計生產的全高清行間轉移CCD,有效圖像分辨率為1920×1080,支持四通道輸出,圖像最高輸出幀率可達64fps,主要用于工業圖像、醫療圖像、安防監控等領域。
    CCD的模擬前端采集電路設計主要用于對CCD提供水平和垂直驅動時鐘信號,放大調理CCD輸出的模擬信號,對CCD輸出模擬信號進行模數轉換,提供必要的幀和行的同步信號來進行數字視頻信號的輸出。所以CCD模擬前端采集電路的設計對于整個數字攝像機的最后成像質量起著重要的作用。文中針對KAI-02150的參數特點設計了雙通道模擬前端采集電路,性能穩定可靠,模式設置方便靈活,減輕了軟件設計的負擔。

1 KAI-02150圖像傳感器芯片簡介
    Truesense Imaging生產的KAI-02150是一款1080p的2/3”大小的逐行掃描行間轉移CCD傳感器,其主要特征有:噪聲低、動態范圍寬、成像性能出色、信號讀出結構靈活,支持1、2或者4通道信號同時采集,全分辨率圖像最高采集速度可達64fps。KAI-02150在水平時鐘頻率達到40 MHz時,其雙通道輸出幀率可以達到33fps,完全滿足普通安防監控的需要。

2 雙通道模擬前端采集電路的設計
2.1 模擬前端采集電路總體設計思路
    KAI-02150在進行光電轉換的同時需要外部對其提供水平和垂直時鐘等驅動信號,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轉換,并輸出相應的視頻同步信號。由于KAI-02150的驅動信號電平要求與AD9920A時序信號輸出電平不相符,需設計時鐘驅動電路對水平、垂直驅動與電子快門等信號進行電平的轉換,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處理,文中使用FPGA精確控制AD9920A的初始化和視頻采集傳輸過程。

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    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、時鐘驅動電路組成,組成結構如圖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處理。


2.2 時序控制采集電路的設計
    傳統CCD時序控制采集電路主要由CPLD和相關雙采樣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,必須預存多種驅動時鐘的輸出樣式,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的工作量。此外傳統方案外圍電路復雜,驅動時鐘信號源需要CPLD和A/D同時提供,在集成度、靈活性和穩定性上都有所欠缺。
    文中采用兩片Analog Device公司生產的AD9920A來進行精確的CCD時鐘信號時序的輸出和對CCD信號的進行A/D轉換。AD9920A主要特點如下:12位40.5 MHz模數轉換器;內置相關雙采樣控制電路;集成精確時序控制器;支持24路可編程垂直時鐘信號輸出。由于所有驅動時鐘和復位信號均由AD9920A提供,與傳統方案相比,文中采用的方案可以通過SPI接口配置AD9920A自身寄存器,預存多種時鐘驅動樣式,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產生的HD和VD同步信號輸入到Slave模式的AD9920A,以便同步CCD數字信號輸出,在FPGA中雙通道采集的圖像可以得到還原。
2.3 時鐘驅動電路的設計
    KAI-02150的時鐘驅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動電路來進行電壓轉換,以符合CCD驅動電平的要求。
    時鐘驅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動能力。文中采用DC12V電壓供電,由雙通道DC/DC轉換器LT3471得到16 V和-10 V電壓,后經LDO穩壓芯片LT1964和LT1761得到CCD垂直時鐘所需的-9 V和12 V直流偏置電壓。而水平時鐘信號、復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轉換器AD5734R產生,后經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位信號經74LCX541 8路三態CMOS緩沖器輸入。為避免信號產生過多失真,在PCB布線時HL、H1、H2和RG走線的電感應非常低。為使互感最小,互補信號H1和H2的布線應盡可能對稱并靠近。H5和H6信號也應如此。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IXDD604高速MOSFET驅動器輸入到CCD,垂直時鐘信號VIB有高中低3個電平狀態。文中使用AD9920A輸出的兩個垂直時鐘信號經過兩片IXDD604來產生所需要的V1B時鐘。如圖2所示,當V1B_H為低時,U22的VCC為0 V,V1B可以根據V1B_ML輸出中低電平。當V1B_H為高時,U22的VCC為12 V,保持V1B_ML為高使得V1B輸出12V。

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    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經過三極管推挽放大電路后產生。


3 AD9920A的寄存器相關設置
3.1 相關雙采樣控制與水平時鐘時序設置
    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復位噪聲電平RSL,在時刻3,輸出電荷存儲器中的電荷轉化為電壓輸出,輸出電壓為感光信號電平、復位噪聲電平與暗參考電平的和SGL。使用相關雙采樣技術來對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。

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    AD9920A中內置相關雙采樣電路,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。而數據輸出DATACLK相位可以通過DOUTPHASE寄存器進行編程,可以設置從0~63的任何時刻。通過配置0x38地址的寄存器來設置SHPLOC和SHDLOC的值,從而對應了RSL和SGL在一個像素周期中的采集時刻。為使切換噪聲最小,應將DOUTPHASE寄存器設置為與SHP采樣位置相同的邊沿,或者設置為SHP采樣位置之后最多11個邊沿時刻,不應處于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間,這些就是暗像素區。通過AD9920A寄存器設置,將CLPOB使能在這些區間。當CLPOB使能后,AD9920A內部的電路就會自動計算出這些暗參考電平的平均值。最終AD9920A輸出的數據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置
    CCD水平時鐘時序的設置主要是對Master模式的AD9920A的寄存器0x30~0x34進行配置,從而確定H1、H2、HL、RG在一個像素周期內上升沿和下降沿的位置。進一步設置寄存器0x36和0x37來配置AD9920A的水平時鐘輸出的驅動電流強度。
    AD9920A的垂直時鐘時序設置比較靈活,通過預設多組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KAI-02150的Datasheet提供的垂直時鐘時序圖所示,CCD最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設置了2組V-Pattern寄存器、2組V-Sequence寄存器,并根據需要設置了3組Field寄存器,來獲得3種工作模式。
3.3 電子快門設置
    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陣列格式的數字視頻信號。經過一系列的調試后,保證CCD水平垂直驅動時鐘信號、電荷復位信號、電子快門信號均符合KAI-02150的參數需求,獲得數字高清圖像。示波器采集到的主要信號波形如圖5所示,其中,圖4(a)是水平驅動時鐘,上方是H1Sa,下方是H2Sa;圖4(b)是垂直驅動時鐘,上方是V1B,下方是V3B;圖4(c)是CCD輸出的模擬信號與RG復位信號,上方是Video_A,下方是RG_a;最終通過后級DSP處理模塊網絡輸出到上位機的圖像如圖5所示。

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5 結束語
    文中針對Truesense Imaging的KAI-02150設計了完整的CCD雙通道模擬前端采集電路。相對于傳統的CPLD與CDS&A/D轉換器的設計方案相比,采用兩片AD9920A的設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,經過時鐘驅動電路的調理,輸出滿足KAI-02150時序要求的驅動信號,驅動KAI-02150輸出模擬視頻信號。最后通過AD9920A的相關雙采樣、可變增益和模數轉換輸出數字視頻信號。經過上位機處理得到圖像,驗證了整個硬件設計方案和AD9920A寄存器配置的正確性。

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