1.常见图像传感器驱动方式
CCD 图像传感器的应用首先需要通过驱动模块进行正确的时序驱动。从CCD 图像传感器发明至今的几十年中,产生了多种灵活的驱动方式,主要有电路直接驱动、单片机直接驱动、存储元件电路驱动、专用芯片驱动和FPGA 控制驱动等方法。
1)电路直接驱动
电路直接驱动是通过晶振、触发器、计数器等标准逻辑器件直接搭建数字电路,以实现驱动时序。这种方法的电路设计与调试非常复杂,多用于早期线阵型CCD 图像传感器的驱动。
2)单片机直接驱动
单片机直接驱动是通过在单片机中的编程,满足各驱动信号的时序功能。在外接时钟的作用下,经过单片机内部的循环、延时、计数、中断等完成各驱动信号的输出。相较于早期的电路直接驱动,利用单片机直接驱动的方法更为灵活,修改、调试和移植。但这种驱动方法主要存在两点不足:①单片机输出端的电平标准与CCD 图像传感器所需的驱动信号的电平标准不一定匹配,且单片机输出端的带负载能力不一定满足需求,因此在单片机输出端与CCD 图像传感器之间常需要外加电压转化芯片;②受限于单片机的性能与处理能力,这种方法得到的驱动信号的频率较低。
3)存储元件电路驱动
使用存储元件电路驱动方法的电路,一般是由EPROM 存储器、晶振、触发器、计数器等元件组成。这种方法的基本原理是将所需要产生的驱动信号作为不同的数据位,以驱动信号组中最窄的不变时间或驱动信号的同步时钟CLK 为基本单位,将时域划分为不同的等时间间隔,称之为“状态”。在同一个状态下,将各路信号的高低电平作为逻辑“1”或逻辑“0”,从而得到这一状态下的驱动信号组构成的若干位的一个数据。按照时间状态顺序依次排列的数据反映了驱动信号的时序。通过晶振、计数器等组成的计数电路,将存放在存储元件中的时序数据依次输出,即可得到所需的驱动时序。与单片机直接驱动同理,使用存储元件电路驱动的方法也常需另加电压转化芯片。这种驱动方法的时序设计简单且便于调试,但限于存储元件的限制,对于复杂的驱动时序实现较为困难。
4)专用芯片驱动
专用芯片驱动是最为理想的驱动方式。所谓专用驱动芯片,是指为驱动某一特定型号或某一类型的CCD 图像传感器而设计制造的专用IC 芯片。这种专用芯片通常是由CCD 图像传感器的生产商开发,针对其CCD 图像传感器芯片驱动信号时序、特性及电平标准等,进行了集成与优化,使用较为方便。虽然各个CCD 图像传感器生产商开发专用芯片的集成功能和配置方法不尽相同,但通常需要搭配控制芯片使用。
5)FPGA 控制驱动
FPGA 控制驱动方法最主要的特点,是利用FPGA 芯片作为驱动电路模块的控制核心。在使用这种驱动控制方法的系统中,CCD 图像传感器一般并不是由FPGA 芯片直接驱动,而是通过通用驱动芯片或专用驱动芯片进行驱动。通过使用Verilog HDL 或VHDL 等硬件编程语言,在FPGA 芯片内进行编程与调试,从而实现以FPGA 为控制核心的时序同步、驱动芯片配置等功能。这种驱动控制方法通用性强且灵活多变,对于复杂的驱动时序和高频的驱动频率具有良好的适应性,是目前最为常用的驱动方法。
2.高分辨CCD 驱动方案分析(www.xing528.com)
CCD 图像传感器的几种驱动方案各有利弊。本设计选择的ICX694ALG 型CCD 图像传感器为面阵传感器,具有高分辨率和高灵敏度的特点。为满足系统多种可选驱动方案的要求,驱动信号具有频率高与时序复杂的特点,同时ICX694ALG 芯片对于驱动信号中的干扰极其敏感,这些特性对驱动电路提出了较高的要求,需提供4 组共11 种驱动信号:垂直CCD 驱动信号VΦ1、VΦ2、VΦ3、VΦ4;水平CCD 驱动信号HΦ1T、HΦ1S、HΦ2T、HΦ2S、LHΦ1;复位栅驱动信号RG;电子快门脉冲ΦSUB。
针对ICX694ALG 芯片特性和系统要求,本设计选择FPGA 控制驱动的方法设计CCD 图像传感器的驱动方案。这种选择主要是考虑到:
(1)本设计选用的CCD 芯片为面阵图像传感器,驱动时序复杂且信号电压种类较多,因此电路直接驱动、单片机直接驱动、存储元件电路驱动等方法难以达到CCD 芯片的驱动要求。
(2)ICX694ALG 图像传感器的生产商Sony 公司推出了该型号CCD 专用垂直驱动芯片CXD3400N,能够良好地实现CCD 芯片的垂直驱动。但水平驱动信号尚没有专用的驱动芯片,需要使用通用具有水平驱动功能的芯片。因此无法完全使用专用驱动芯片的方法,而需要利用FPGA 控制的方法控制和协调专用驱动芯片和通用驱动芯片。
(3)驱动模块中的FPGA 芯片,除了可以用于驱动系统的控制与时序同步外,还可以对图像数据预处理系统进行控制和配置,并对图像传输系统中的图像数据进行控制与时序同步,提高了整个系统的集成度。
本设计最终选定的FPGA 控制驱动方案的结构如图16-11 所示。以FPGA 为控制核心,使用专用驱动芯片控制垂直驱动,通用驱动芯片控制水平驱动。由于CCD 芯片为四通道爆发式图像传感器,因此每个通道均需要一块专用垂直驱动芯片和一块通用水平驱动芯片提供该通道所需的垂直驱动、水平驱动和复位栅驱动。电子快门驱动为四个通道共用,由其中一块专用垂直驱动芯片提供。
图16-11 传感器驱动方案设计
图像传输的第(1)部分,主要由CCD 图像传感器的驱动电路完成,而本节主要讨论图像传输的第(2)、(3)部分。
对CCD 图像传感器输出信号的预处理技术比较成熟,目前常见的方法是使用高度集成的CCD 信号处理器芯片完成CCD 输出信号的相关双采样、A/D 转换等预处理。ADI 公司的AD9979 芯片就是一种典型的CCD 信号处理器芯片,该芯片内部还集成了通用水平驱动等功能。在通过三线串行接口完成芯片的寄存器配置后,AD9979 芯片能够在水平同步信号和时钟信号的同步下,同时实现:①CCD 图像驱动系统中的水平驱动和复位栅驱动;②图像预处理系统中的相关双采样、VGA 放大、A/D 转换。因此,本书选用AD9979 芯片作为图像驱动系统的通用水平驱动芯片和图像预处理系统的CCD 信号处理器芯片,并利用FPGA 完成AD9979 的芯片配置与时序同步控制。
对于数字图像数据输出,需要考虑后端的接口与数据格式。本书设计的高分辨高灵敏图像信息获取前端,主要用于接入到本课题组现有的后端嵌入式图像处理系统中进行图像处理。为实现与后端图像处理系统的硬件接口与图像数据格式兼容,数据以RAW 格式通过36位并行FFC 线进行数字图像的数据输出。图像信息获取前端的数据输出方案设计原理图如图16-12 所示。
图16-12 图像信息获取前端数据输出方案设计原理图
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