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1 引言 隨著微型光譜儀快速發展，CCD和PDA廣泛使用，CCD和PDA的種類型號越來越多，每種型號都需要專門的驅動采集板，使得開發產品周期長、費用大。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統設計方案。該系統在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD，并上傳至PC機，使用軟件處理采集到的數據。 2 通用CCD采集系統設計 系統部署圖如圖1所示。系統硬件分為接口板、通用驅動采集板、計算機。接口板匹配驅動信號，將CCD輸出視頻信號通過前置處理后鏈接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D轉換器對視頻信號進行模數轉換后，按幀暫存在FPGA內的FIFO中，通過USB快速塊傳輸模式上傳到計算機中．最后計算機軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。 
通用性是由通用CCD驅動模塊和16In8Out異步 FIFO實現的。根據不同類型的CCD編制不同的CCD驅動模塊，采用16In8Out異步FIFO，FIFO根據CCD驅動模塊提供的FS幀同步來確定暫存A／D轉換一幀像元數，實現了采集A／D轉換數據與USB傳輸的分離，在修改或升級CCD驅動時，無需修改采集和數據輸出代碼，實現了通用性。 2．1 CCD接口板 由于大多數CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同。CCD接口板提供CCD插座和轉接CCD驅動信號以及輸出信號電壓匹配。 CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。 2．2 通用驅動采集板 通用驅動采集板由A／D轉換、FPGA(通用CCD驅動器模塊和16In8Out異步FIFO模塊)、USB 3部分組成。A／D轉換部分完成系統的A/D轉換；FPGA部分完成系統的CCD驅動、數據采集、CDS實現；USB部分完成數據的傳輸。 2．2．1 A／D轉換部分 系統需采集多種CCD并實現CDS，而且系統主要由USB供電，這就要求A／D轉換速度快，供電電壓低，最好參考電壓內置。 AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數轉換器系列，采用3 V單電源供電，該系列均內置一個高性能采樣保持放大器(SHA)和基準電壓源。AD923540采用多級差分流水線架構，內置輸出糾錯邏輯，在40 MSP／S數據速率時可提供12位精度，并保證在整個工作溫度范圍內無失碼。 FPGA中采集信號發生器提供A／D采集時鐘，同時也控制 FIFO和CCD驅動器。A／D采樣速率不再受數據傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配。并可實現1幀內1個像元的雙采樣，從而實現CDS。 2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅動器模塊 由于不同生產商的CCD器件的驅動時序往往差別很大，因此需針對每種CCD器件編制其CCD驅動器模塊。驅動時鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號發生器提供，如圖2所示。
CCD驅動器輸入信號由兩路驅動時鐘和積分時間控制信號INT組成；輸出信號由幀同步信號FS和CCD Driver信號組成。不同的CCD驅動器模塊僅CCD Driver信號有所不同，其他接口一樣。在改變CCD時只需替換CCD驅動器模塊即可。 2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO FIFO用于暫存A／D轉換的信號。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后，將FIFO中的1幀數據通過快速塊傳輸上傳至計算機。1幀的像元個數由CCD驅動模塊提供的FS信號決定。FIFO內的存儲空間為192 Kb。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數據存儲需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內部原理圖。
圖3中，FS是幀同步，在FIFO中重置暫存指針，DataIN是暫存數據采集完畢信號，DataRdy是判斷USB是否空閑信號，ADclk是 FIFO的寫信號，16BitIN是FIFO的讀16位入口，讀取A／D信號，這里兼容16位，本設計只用12位，其他4位空閑。8BitOUT是 FIFO的8位輸出口，RD是FIFO的讀出時鐘信號。在FIFO中讀入的16位信號分高低位分別存儲在2個8 bit存儲器中，在輸出時，按先高后低的順序輸出，從而完成16In8Out的轉換，部分實現代碼如下：
在信號FS的控制下，FIFO不斷地對整幀信號進行刷新，當USB傳輸信號到來時，刷新當前幀完畢后，開始 USB快速讀入操作。 2．2．4 USB部分 USB采用Cypress公司的AD2131Q，其核提供一種快速傳輸模式．改進 8051的外部邏輯與同步／塊端點緩沖器之間的傳輸速度。將FASTXFR寄存器設置為01010000B，讀寫選通時序模式為10，提供更寬的脈沖寬度，便于讀取FPGA的異步FIFO信號。FIFO存儲滿1幀數據，由USB器件使用快速塊傳輸上傳到計算機，約6 ms完成。表1為塊傳輸傳一個像元數據所用匯編程序對比。
2．3 軟件設計 軟件設計主要包括3方面工作：USB驅動程序設計、動態鏈接庫設計以及應用處理軟件設計。 2．3．1 USB驅動程序設計 EZ-USB提供的FPD(通用設備驅動程序)是一個通用的設備驅動程序。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和編譯驅動程序，生成文件ezusb.sys。具體操作如下：①修改驅動程序的PID。在工程里 EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不變，PID自行設定。②利用hex2c.exe將USB固件Intel HEX記錄格式的代碼文件轉換為C文件，打開該C文件，用其中的firmware[]數組代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的數組。③編譯生成ezusb.sys文件并編寫相應的INF文件。 2．3．2 動態鏈接庫設計 動態鏈接庫主要是通過I／O控制調用來訪問EZ-USBGPD。通過調用CreateFile()來取得訪問設備驅動程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制碼，從而完成USB的控制和輸入／輸出操作。 2．3．3 應用處理軟件設計 應用軟件通過訪問動態鏈接庫(DLL)獲取采集譜線數據，其主要功能有顯示、設置積分時間、定格譜線、保存、捕捉、局部放大、添加譜線。 3 測試結果 采用通用CCD采集系統分別對 3款CCD進行驅動和采集。這3種CCD的參數如表2所示。使用應用軟件EMSpectro采集上述CCD譜線，采集效果如圖4所示。
4 結束語 采用該系統對3種不同型號CCD成功驅動并采集，測試結果達到了預期的效果。系統體積小、功耗低、兼容性好、可擴展性高。該系統已成功應用于實驗室開發CCD相關項目中。 參考文獻 1. Martin Fowler,Kendall Scott.UML精粹[M].徐家福,譯.北京:清華大學出版社,2002. 2. ANALOG DEVICES.12-bit,20/40/65 MSPS 3V A/D converter AD9235[EB/OL].2004.http://www.analog.com/static/imported-fil es/data_sheets/A D9235.pdf. 3. 顏榮江.EZ-USB2100系列單片機原理、編程及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002. 4. SONY.3000-pixel CCD linear image sensgr (B/W)ILX526A[EB/OL].2009.http://www.sony.net/Products/SC-HP/cx_news/vo107/p df/ilx526.pdf 5. TOSHIBA.CCD LINEAR IMAGE SENSOR CCD(Charge Coupled Device)TCD 1304AP[EB/OL].2001.http://www.zygo.btinternet.co.uk/tcd1304ap.pdf. 6. Panavision SVI,LLC.SLIS-2048 high speed 2048 x llineScanimage sensor[EB/OL].2004.http://www.panavisionimaging.com/PDF/PDS0005Revl.pdf. 作者：李正剛(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室,吉林,長春,130033;中國科學院研究生院,北京,100039 袁紅艷(長春奧普光電技術有限公司,吉林,長春,130033) 吳一輝(中國科學院長春光學精密機械與物理研究所應用光學國家重點實驗室,吉林,長春,130033) 來源：電子設計工程 2009（12） |
