线阵相机模拟前端驱动处理电路设计及应用

廖　飞,龚恒翔,b,梁　霄，韦清臣，尹斌军，王　灿

(1.重庆理工大学　a.光电信息学院； b.光伏新能源应用技术与设备研究所,重庆　400054)



线阵相机模拟前端驱动处理电路设计及应用

廖飞a,龚恒翔a,b,梁霄a，韦清臣a，尹斌军a，王灿a

(1.重庆理工大学a.光电信息学院； b.光伏新能源应用技术与设备研究所,重庆400054)

摘要：为解决定制型线阵相机模拟前端驱动处理电路可复用和可移植问题，在分析TCD1700系列线阵CCD器件工作原理、时序参数相关性和异同点基础上，对线阵相机模拟前端驱动处理电路进行集成化、IP核化设计，给出了设计逻辑、接口及寄存器定义，使用verilog语言，利用quartusII和modelsim平台进行了设计建模和仿真测试。最后在cycloneIV器件平台进行了实现和验证，并将设计的电路用于盛液管和液位界面检测实验。实验结果显示：前端处理电路对液位及盛液管特征信息提取准确，电路噪声抑制效果良好，可复用。

关键词：线阵相机;模拟前端;驱动处理电路;IP核;

线阵相机作为一种精密光电检测及传感设备，在科学研究、精密工业制造、交通安全检测、通用机器视觉、建筑测量、航空航天摄像及测量、新能源光伏检测等领域有重要应用[1,2-5]。当前，线阵相机以3种形式存在于工程应用中：通用型的工业用线阵相机[2,4]、提供二次开发能力的线阵相机[5-6]、自主设计定制型线阵相机[3]。这3种线阵相机各有特点。通用型线阵相机有良好的性能和稳定性，因其集成度高、成本较高，故在特殊应用和成本敏感的应用中较难发挥优势；可二次开发的线阵相机软件扩展性好；定制型线阵相机针对问题单一、安装设计灵活，可集成硬件加速算法，在处理低照度、表面特征复杂、工作条件频繁变化的问题时，有独特优势。因此，近年来众多研究者对定制型线阵相机展开研究设计，尤其是在驱动方法、可调参数配置、曝光控制、信号处理、噪声去除、标定方法等方面做了广泛研究，推动了定制型线阵相机技术在各行业的应用和发展。

本文针对定制型线阵相机的驱动和信号处理展开研究。驱动和信号处理决定着线阵相机是否工作和工作性能。近年来，研究者们对如何驱动、噪声去除及抑制、信号处理、应用系统等方面做了较多研究，但对驱动的可重用性设计和信号处理算法的硬化关注较少。本文在前人研究的基础上，提出一种重用性好、集成度高的线阵相机模拟前端驱动处理IP核逻辑电路设计方法，能较好地克服不同应用中的重复开发工作，为定制型线阵相机的开发提供了一种高效、重用性好的解决方案。

1设计原理分析

1.1TCD1700系列器件差异性及共同点分析

线阵相机多基于线阵CCD、COMS图像传感芯片设计，其基本工作原理是单行或多行的光电二极管线性阵列感光，在驱动和信号处理电路作用下获得感光图像数据。因生产厂家、器件中光电二极管阵列规模、行输出速率、电信号输出电路数量等不同，各型号的具体时序参数相应有差异，设计兼容多家厂商和多种型号的线阵相机驱动和信号处理电路较为困难。本文针对TOSIHBA公司的TCD1700系列展开设计分析，最终在TCD1709D型CCD上实现。

TCD1700系列线阵CCD[7]是典型的双沟道线阵CCD，在器件单元组成、沟道结构、电极结构、势阱结构、输出电路上具有较多相同点。查阅该系列器件的数据手册及特征参数可以发现，该系列器件的驱动时序信号个数、时序信号类型、时序图形和驱动时序关系具有极大的相似性。如图1所示，该系列均具有两相驱动时序，每相时序包含1～3个相同的时序信号。此外，该系列均具有相似的帧转移信号、输出寄存器残余电荷清除信号、输出转换测量电路复位信号。主要区别在于像素个数、像素大小、输出端口、工作频率等几个方面，具体见表1。

表1　TCD1700系列线阵CCD主要参数对比

1.2驱动及处理时序参数相关性分析

TCD1700系列器件的基本工作过程包含两个阶段，光敏单元信号积分阶段和电信号转移输出阶段。积分阶段完成光信号到电信号的转换及电信号的累积两个过程，其驱动时序受积分时间、工作频率、输出像素、输出端口数量等影响；电信号转移输出阶段的时序受工作频率、输出像素、输出端口数量影响。综合考虑两个基本工作过程，产生复用性好的驱动信号必须包含的共用参数应包含积分时间、工作频率、每工作周期输出像素个数、输出端口数等多个参数。

图1　TCD1700系列器件的驱动信号时序

TCD1700的输出信号为模拟制式信号。为更好地滤除器件的KTC复位噪声、输出电阻热噪声等的影响，完成应用需求对光电图像信号的处理时，一般需首先完成相关双采样(CDS)和模数转换，然后交由线阵相机后续处理部分完成最终处理，因此还需提供处理时序参数和时序同步参数。对于相关双采样及模数转换，有单芯片和多芯片两种处理方式。近年来，TI、ADI等厂商对线阵相机和面阵相机所用相关双采样及模数转换做了较多研究，相继推出了多种单芯片ASIC方案。然而，单芯片ASIC并不能根据输入模拟信号自适应完成采样及量化工作，需在同步时序和采样位置信号控制下完成。因此，考虑到后处理过程的相关性，共用参数还应包括同步参数、采样控制参数等处理时序参数。

线阵相机的CCD器件驱动时序、输出时序及后处理时序是线阵相机信号传感、采集、处理的3个必须阶段，并且这3个阶段既相互独立，又相互联系，有既定的顺序和时序，这就需要再次考虑驱动时序参数和处理时序参数间的同步关系。在具体设计驱动处理IP核时，可考虑在IP核内部引入3阶段共用的同步信号来辅助建立驱动参数和处理参数间的联系。

1.3驱动及处理IP核设计

CCD相机的驱动电路设计主要使用4类驱动方式，分别是分离器件驱动、专用时序驱动芯片(ASIC)驱动、可编程器件(CPLD)驱动和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)驱动[8-9]。经过多年的发展[10-13]，目前分离器件驱动方式因逻辑复杂、同步困难，已很少采用；专用驱动芯片在面阵相机中使用较多；基于CPLD和FPGA设计的驱动电路因升级修改灵活、可移植性好，在定制型线阵相机中较多采用。另外，FPGA器件可将驱动电路、信号处理算法电路、系统软件集成在单片器件中，能有效减少线阵相机电路规模。

将线阵相机的驱动处理电路以IP核(知识产权核)的方式设计。将需要配置的驱动时序参数、处理时序参数加以提炼，最终以多个寄存器的方式定义。在设计定制型线阵相机时，可通过片内总线访问这些已定义的寄存器，从而实现驱动处理电路的复用。

2逻辑电路实现

2.1IP核逻辑结构及接口定义

IP核的逻辑结构及接口定义如图2所示，包含驱动采集时序驱动逻辑、外部驱动信号接口、总线接口、中断逻辑、外部数据采集存储等5部分。时序驱动逻辑用于产生CCD器件和外部模数采样器件所需驱动时序参数，为统一外部模数采样驱动及数据处理，本文选择了ADI公司的AD994X系列器件；外部接口和总线接口如表2、3定义所述，用于上层总线互联和外部逻辑驱动，FPGA内的总线接口多用AHBA和Avalon两种。考虑到后续平台使用NOIS-ii内核，本文采用Avalon总线实现设计。中断逻辑有利于SOPC系统中对本文设计IP模块的工作响应和调用。外部数据采集存储部分涉及模数采样器件输入平行数据的采集和存储，是系统数据链路的重要部分。

图2　IP核整体结构

信号位宽说明Clkm1模块接口时钟及功能时钟rst_n1模块复位信号,低有效address3寄存器地址write1总线接口写使能,高有效writedata32写数据read1读使能,高有效readdata32模块总线接口输出数据irq_ccd1模块中断

表3　外部接口信号定义

2.2IP核寄存器及关键信号定义

寄存器和关键信号是本文IP核设计的重要组成部分。寄存器供用户访问配置，可供用户根据当前情况调整驱动时序参数及控制采样参数等操作。本文设计的IP核提供了CCD驱动配置寄存器、AFE采样控制配置寄存器、像素个数配置寄存器、模块控制寄存器、状态寄存器、CCD数据寄存器等6个寄存器。图3描述了IP核内部逻辑及寄存器参数间的关系，同时给出了部分关键信号。

图3　IP内部逻辑及寄存器关系

像素个数配置寄存器控制输出时序的产生，对IP的工作机制有全局影响。本文设计的IP使用像素计数器产生内核状态机，从而全局控制时序的产生及处理逻辑的同步。在像素个数确定后，设置CCD驱动配置寄存器可控制积分时间及输出驱动时序的频率。AFE驱动配置寄存器根据前述两个寄存器的参数，同步产生AFE驱动时序，并生成相关双采样脉冲。

为保证CCD驱动时序和AFE驱动时序的同步，设置了多个关键的同步信号。为统一管理每帧输出的多个哑元信号和遮蔽信号，设置samplestart信号，用于CCD时序驱动逻辑和AFE驱动时序逻辑的同步。AFE器件内模数转换采用的是pipeline结构，有多达10个数据时钟的延迟，因此，需在AFE驱动时序和数据处理逻辑模块间设置同步时钟Dataclk_sys。

2.3多通道数据输入的同步

依据线阵相机使用CCD器件情况，数据处理存储逻辑的通道个数会有个数差异。因此，为保证处理速度，在设计时引入了多通道FIFO结构(如图3)，并在数据处理逻辑处设置通道选择多路器，可主动选择切换使用单通道数据处理还是多通道数据处理。在相应的片选使能信号CS0.1.2.3信号控制下，将相应通道的输入数据按设定的时序存储到FIFO1到FIFO4中。

2.4电路IP核逻辑实现

本文采用verilogHDL语言实现数据逻辑电路设计，以QuartusII和Modelsim为开发工具，使用有限状态机建模方法，对模拟前端驱动处理IP核进行设计、综合和仿真验证。图4是modelsim仿真波形图。

图4　IP核仿真波形

3应用实验结果及分析

3.1实验平台硬件

为验证线阵相机模拟前端驱动电路的功能和性能，将设计的IP加入线阵相机处理系统，并用于液面及盛液管检测。实验平台硬件架构如图5所示，盛装液体的玻璃管放置在光源和线阵相机之间；信息处理系统及设备完成线阵相机触发和数据采集；PC端采集液面及盛液管光信息数据，并完成检测结果处理，得到液位、盛液管污染程度、破损、液体相对透光度、液体颗粒度等参数。实验平台见图5，盛液管实验实物如图6所示。

图5　实验平台系统组成示意图

图6　盛液管实验实物图

3.2测试结果及分析

在透明玻璃管中盛装清水或化学试剂，通过图5的平台检测盛液管，通过线阵相机获得盛液管的透光信息。在PC端获得液位和盛液管检测信号如图7所示，可见信号整体幅度波动较小：① 位置处信号毛刺较小，与测试使用全新无污损的玻璃管现象相符；② 位置信号对应玻璃管中液体与空气接触面，信号锐利，分界明显；③ 位置对应玻璃管中空气段，信号波动幅度小，波动多为杂散光引起。最终测试结果显示：线阵相机的驱动处理电路设计合理，噪声抑制情况较好。

图7　液面及盛液管检测结果

4结束语

对TCD1700系列线阵CCD器件做了共同点和差异性分析，完成了驱动及处理时序参数相关性分析。给出了线阵相机模拟前端驱动处理电路的设计考虑、接口及信号定义、寄存器定义，并使用quartusII和modelsim软件对电路以IP核方式进行了设计。在Altera的cycloneIV平台进行了系统实现，在搭建的实验平台上完成了测试和功能实现。测试结果显示，设计的IP核与线阵相机系统兼容性良好，系统运行稳定，测试信号波动幅度小，噪声抑制效果明显，可移植，可复用。本研究为定制型线阵相机模拟前端驱动处理电路的设计提供了一种参考设计方案，为工业场合光电检测和光电特征信息处理提供了参考。后续，将设计的电路IP和线阵相机使用到光伏组件灰尘效应模拟与检测系统中，并对此技术进行实用性评价。

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(责任编辑杨黎丽)

Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application

LIAO Feia，GONG Heng-xianga, b，LIANG Xiaoa，WEI Qing-chena，YIN Bin-juna，WANG Cana

(a.Department of Optical and Electronic Information;b.Photovoltaic New Energy Applied Technology and Equipment Institute,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

Abstract:To solve the reuse and portability problem for custom linear camera driving and signal processing circuit, integration and intellectual property (IP) core of linear camera drive and signal processing circuit were designed based on the analysis of the operational principle, timing parameters and differences and similarities between TCD1700 series CCD device, and the definition of design logic, interface and register were given, and the design model and simulation test were built and executed with verilog language and the quartusii and modelsim platfrom. At last, it was implemented and verified in cycloneIV device platform, and the designed circuit was applied in detection experiments of drip tube and liquid level interface. Experimental results show that: the front-end processing circuit can have accurate characteristic information extraction of liquid level and drip tubes and have good effect in circuit noise suppression, which is reusable.

Key words:linear camera; analogy front end; drive and signal processing circuit; intellectual property (IP) core

收稿日期：2015-12-12

基金项目：重庆市科学技术委员会应用技术开发计划项目(cstc2014yykfB70005)

作者简介：廖飞(1982—),男,硕士,主要从事数字逻辑电路设计、FPGA嵌入式系统研究。

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.06.025

中图分类号：TN364

文献标识码：A

文章编号：1674-8425(2016)06-0148-06

引用格式：廖飞,龚恒翔,梁霄，等.线阵相机模拟前端驱动处理电路设计及应用[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(6):148-153.

Citation format：LIAO Fei，GONG Heng-xiang，LIANG Xiao,et al.Analogy Front End Driving and Signal Processing Circuit Design for Linear Camera and Application[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(6):148-153.