摘 要:基於彩色面陣CCD傳感器設計的高速實時圖像採集系統,以信號處理芯片CXD3172AR為核心,可實現輸出標準PAL/NTSC格式的視頻信號,具有自動白平衡、自動曝光、缺陷補償等功能,並構建優化的模擬前端電路(包括相關雙採樣和自動增益控制)大幅度提高了採集數據的信噪比。根據DSP芯片具有參數化控制的特點,通過單片機實現與DSP的特殊通訊傳輸協議來配置DSP參數,並使用外部開關控制完成各種信號處理功能。通過仿真調試,該電路很好地實現了圖像採集和控制功能。
關鍵詞:單片機; CCD;可控化;圖像採集
基金項目:教育部留學回國人員科碩啟動基金(GGRYJJ07-2)0 引 言光學成像系統是將光學信息轉化為人們更易處理的電子信息的重要工具,特別對於智能監控、醫學診斷及消費電子領域,其重要性就更大。隨着成像系統功能的複雜化,攝像機的便攜易控性成了設計中需考慮的重要要素。自從1969年Willard S. Boyle和George E.
Smith發明電荷耦合器(CCD)以來,它一直就是光學成像系統的首選傳感器。相對於目前發展快速CMOS圖像傳感器,它仍然具備噪聲低,動態範圍高的優點。而CCD的模擬前端決定了採集信號的質量,對整個系統信噪比有着決定性的影響,因此對它的噪聲抑制是設計中的重點[1]。完成各種圖像處理功能的模塊是成像系統的核心,針對低照度視頻信號成像[2]的設計要求,採用專業信號處理芯片進行各種處理,通過單片機(MCU)對信號處理芯片(DSP)進行參數配置,以完成各種複雜運算功能的控制,簡化了系統的邏輯設計,使其具有良好的可控性。
1 系統組成
該系統由CCD、模擬前端AFE(包括相關雙採樣CDS和自動增益控制AGC)、信號處理模塊、微處理器模塊以及模擬數字輸出模塊等組成。系統框圖如圖1所示。
圖1 CCD成像系統框圖
圖中CCD傳感器是整個系統的基礎,外部光學信號通過光電轉換才能進行各種處理。傳感器輸出模擬信號將經前端放大,以差分輸入的方式進入AFE,然後通過一系列模擬信號的降噪放大處理(CDS,AGC),進入信號處理模塊進行各種運算處理。信號處理模塊是連接CCD輸出和後端通用設備的橋樑,專業信號處理芯片提供了大量視頻處理運算功能和多種視頻輸出格式,為後續處理帶來了方便。通過DSP的各種處理,得到設計要求的色度、亮度和飽和度圖像,最後輸出與終端格式兼容的模擬或者數字信號。模擬輸出可以直接與監視器相連,數字輸出可以通過FPGA,ASIC等器件與VGA,DVI接口顯示器相連。
2 模擬前端模塊
CCD讀出電路的噪聲主要包括讀出電路中所用器件的固有噪聲,以及因電路結構、電路工作方式引入的附加噪聲[3]。主要有1/f噪聲[4]、KTC噪聲[5]和固定平面噪聲[6],這些噪聲限制了圖像傳感器的動態範圍,降低了信噪比。在讀出電路中,相關雙取樣技術(CDS)是目前應用最廣泛的噪聲抑制技術。由於一個像元傳輸時間中的復位噪聲是相關的,相關雙取樣電路(CDS)可以利用信號相減的運算關係來消除或消弱信號裏的1/f噪聲、KTC噪聲和固定平面噪聲,從而可大大提高系統的信噪比。自動增益控制電路(AGC)可以使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整,使圖像信號的亮度平穩,特別是低照度環境裏微弱光信號的放大。但不足的是它也會放大低照度條件下的暗電流,降低圖像質量。另外,模擬前端帶寬的合理選擇可以對系統噪聲和系統調製傳遞函數進行折中,以滿足應用的需求。目前有兩種AFE設計方法,一種是採用分立元器件實現,另一種是採用集成AFE芯片實驗。隨着AFE芯片的成熟,其內部還集成了暗電流校正電路,各項指標遠高於一般分立元器件搭建的電路,並且調試簡單。該系統選擇的集成AFE是CXA2096N,是專門為數字攝像機而設計的,內部包括相關雙取樣電路(CDS)、自動增益控制電路(AGC),為A/D轉換器提供的參考電平以及採樣保持電路,其自動增益變化範圍為-0.8~31.3 dB[7]。
3 信號處理模塊
3.1 視頻處理芯片本文選擇的信號處理芯片是SONY公司的CXD3172AR。該芯片內建10位高精度A/D轉換器,具有自動白平衡、自動曝光、自動黑電平校正和缺陷補償等功能,並能產生驅動CCD的時序脈衝,能夠輸出PAL/NTSC制式的模擬信號和ITU656格式的數字信號[8],其控制方式有2種:通過RS 232接口用PC機軟件控制;通過MCU通用管腳直接用硬件控制。因為MCU的傳輸總線不屬於通用的I2C和SPI總線,所以參考芯片資料,設計了與MCU的通信接口。該芯片支持的最大傳輸速率為400 Kb/s;使用PC機軟件僅支持19.2 Kb/s,且不能完全利用該芯片的帶寬,軟件控制還必須依賴PC機,不利於攜帶。在該系統中,採用純硬件控制方式實現的DSP功能,具有快速靈活的特性。
以CXD3172AR為核心組成信號處理模塊的外圍電路主要有電源、時鐘、視頻輸出接口和控制通信接口。
3.2 時鐘產生電路
CXD3172AR需要產生驅動CCD的時序脈衝,其主時鐘將影響整個系統的正常穩定工作。該系統選擇的CCD兼容PAL制式色彩攝像機,總共像素為795(H)×596(V),系統要求28.375 MHz的時鐘驅動系統和27 MHz的時鐘驅動編解碼器。為了有穩定的時鐘源,採用鎖相環路(PLL),用一個高穩定性參考源的一個分頻和VCXO的一個分頻進行相位比較,產生一個誤差變化電壓,給VCXO進行環路負反饋,從而使輸出頻率更穩定[9]。設計VCXO輸出28.375 MHz時鐘和石英晶振迴路輸出27 MHz時鐘,系統產生的水平同步信號頻率為15.625 kHz,其與VCXO的分頻進行相位比較,PCOMP引腳輸出相位比較結果,判斷是否相位鎖定。
3.3 電源電路
系統需要4組獨立電源,其電壓分別為:3.3 V,5 V,15 V,-7 V。基於便攜性的考慮,採用9 V直流電壓作為電路板的輸入,通過線性穩壓電源芯片LT1117-3.3和LT1117-5得到3.3 V和5 V電壓,選擇TPS65131得到15 V和-7 V電壓。TPS65131能夠輸出正負雙電壓,非常適用於便攜性設備。4組電源的輸出端分別通過LC低通濾波器,就能為系統提供高精穩定的直流電源。
3.4 視頻輸出電路
CXD3172AR能輸出PAL制式的模擬信號,其輸入端口採用電流輸出結構,通過電阻產生信號電壓,但是由於系統噪聲的存在,特別是模擬地和數字的干擾,信號走線長度,元器件佈局等因素,對輸出端可以增加一級濾波器,以提高信噪比。對於亮度信號而言,芯片內部在輸出端已集成了LPF,故只需對色度信號進行處理。設置DSP輸出Y/C分離信號,視頻信號的帶寬一般為6 MHz,色度信號副載波頻率為(4. 43±1.3 MHz),圖2是色度BPF的頻率特性圖。亮度信號和通過BPF的色度信號進入視頻信號混合放大器NJM2274,其輸出阻抗為75Ω,放大後的信號可以直接輸入監視器。
3.5 MCU-DSP通信
DSP處理功能可以通過MCU或軟件進行控制。
將DSP各控制參數通過特定的通信協議傳輸到DSP189第2期顏 豪等:一種基於單片機的可控成像系統設計內部寄存器或者外部E2PROM保存,以使其實現視頻信號的各種處理功能。這裏的MCU為STC的STC89C52RC芯片,並且外搭基本硬件電路,使其成為最小系統。DSP控制參數有635 B,在調試的時候,可以存入DSP的寄存器組以便修改,調試完成之後,優化的參數可以存入E2PROM,使得下次掉電覆位後可以繼續使用。
圖2 BPF頻率特性
在通信過程中,一個通信協議包傳輸的字節數是可變的,最高可達32 B。DSP接收到一包數據後分析它,執行控制命令,完成1次通信。一個通信包由起始字、命令字、地址字和數據字組成。因為DSP內部寄存器數量有限,在執行完上次命令之前,不會再接收任何其他控制命令。該過程被稱為“通信禁止週期”,並且此時,芯片返回一個確認數據,該數據可能是寫應答信號、讀取數據或者通信錯誤代碼。它的片選信號、時鐘信號和輸入/輸出信號格式如圖3所示。
圖3 通信協議格式
3.6 MCU與DSP的接口在不同硬件接口之間進行數據通信時必須保證其邏輯電平一致,不然通信過程中將出現各種不可預料的錯誤。該設計中, CXD3172AR主供電電源VDD是3.3 V,其邏輯高電平大於等於0.7VDD,邏輯低電平小於等於0.2VDD,它們屬於LVTTL電平。通用MCU管腳一般是TTL電平,所以兩者之間的通信必須經過電平轉換,這裏選擇SN74ALVC164245作為電平轉換器。SN74ALVC164245有2組獨立電源端口,分別將其與MCU和DSP各自的主供電電源相連。這樣,就能通過電平轉換器將3.3 V系統和5 V系統連接起來。
4 仿真和調試
圖4是軟件仿真圖,輸入數據是低位先傳,每個字節有8位,字節之間延遲1個時鐘週期,DSP在時鐘上升沿採樣輸入數據,在時鐘下降沿輸出數據。選通信號XCS為低電平有效,為了滿足系統的一定時序宂量,在DSP處理時間內(即通信禁止週期)強制將XCS置高。
由於是軟件仿真的原因,DO沒有波形。但是為了能夠測試通信是否成功,在程序裏添加回讀顯示功能,通過4個7端數碼顯示管顯示2個16進制回讀數據,判斷是否通信成功。
圖4 程序仿真圖
同時,參考DSP的幾個基本功能,將其控制參數保存在程序代碼中,通過外部開關的選擇,MCU的P1端口讀出其電平,實現各種功能的控制,其功能見表1。
表1 功能列表
Interface FunctionP1.0~P1.2 AWB ModeP1.3 Color Rolling ControlP1.4 Black Light CompensationP1.5 AE SwitchingP1.6 Flickerless SwitchingP1.7 AGC Switching完成電路板中各部分的設計以及調試後進行實驗,其結果表明,MCU-DSP通信正常,可滿足時序及功能要求。
5 結 語
採用專業信號處理芯片及單片機實現了可控成像系統設計,完成了電路板的調試和功能實驗,為後續數字信號處理提供了源圖像信號。該系統具有電路實現簡單可靠,功能控制方便,能夠輸出多種視頻格式信號,具有簡易靈活性。目前,將該系統已使用於低照度環境下的幀間濾波技術採集系統中,效果很好。
參 考 文 獻
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[7] 2096N datasheet [M]n:Sony, 2004.
[8] 3172AR datasheet [M]n:Sony,2004[9]趙聲衡.石英晶體振盪器[M].長沙:湖南大學出版社,1997.
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