沙 濤 ，劉棟鋮，汪海洋，孫寧建

(1.南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京210094;2.東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院先進光子學(xué)中心，南京210096)

CCD 是一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移為一體的半導(dǎo)體傳感器件，具有壽命長、重量輕、體積小、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、分辨率高、抗電磁干擾性好等優(yōu)點［1－2］。因此CCD 在工業(yè)現(xiàn)場檢測有著廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)已開展CCD 相機系統(tǒng)的研究。例如《基于CPLD 的μPD3575D 線陣CCD 驅(qū)動電路設(shè)計》［3］一文中主要介紹了基于CPLD 的CCD驅(qū)動時序設(shè)計，對CCD 相機系統(tǒng)的設(shè)計做出了較高價值的鋪墊。在前人基礎(chǔ)上，本文給出了CCD 相機系統(tǒng)設(shè)計的具體結(jié)構(gòu);詳細介紹了CCD 外圍電路的設(shè)計;為使相機輸出圖像具有邊緣特征，便于檢測，本文還研究了基于FPGA 的圖像校正與處理方法。

1 硬件電路設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及分析

典型的CCD 相機系統(tǒng)主要包括CCD 驅(qū)動電路、信號處理電路、數(shù)據(jù)傳輸接口電路以及光學(xué)機械接口部分［4］。CCD 驅(qū)動電路一般由時序電路和偏置電壓電路構(gòu)成，主要實現(xiàn)CCD 的驅(qū)動時序信號以及CCD的偏置電壓供電。信號處理電路主要完成CCD 輸出信號的A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)采樣，以及采樣后的數(shù)據(jù)處理等功能。數(shù)據(jù)傳輸接口電路主要實現(xiàn)相機與外部通信，完成圖像數(shù)據(jù)傳輸以及相機的外部控制等功能。光學(xué)機械接口是CCD 相機的輔助設(shè)備，提供與各種光學(xué)設(shè)備的輔助連接，從而實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)與CCD 的耦合。本系統(tǒng)遵循典型CCD 相機結(jié)構(gòu)的一般組成部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

檢測物在光源照射下經(jīng)光學(xué)鏡頭被CCD 拍攝，CCD 在偏置電壓與驅(qū)動時序作用下產(chǎn)生像素輸出信號OS，OS 信號經(jīng)放大電路放大后再由AD 采樣，AD 采樣后得到的并行數(shù)據(jù)送入FPGA。FPGA 即可實現(xiàn)圖像的噪聲校正及預(yù)處理，并將處理好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成滿足CameraLink 接口通信的圖像數(shù)據(jù)。最終，圖像經(jīng)CameraLink 接口發(fā)給上位機圖像采集卡，接受進一步處理。溫度監(jiān)控模塊可實時監(jiān)控相機溫度，外部觸發(fā)信號可實現(xiàn)相機曝光外同步。

圖1 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 芯片選型

本文的相機系統(tǒng)主要用于工業(yè)流水線現(xiàn)場檢測，如大蒜等，要求相機具有高靈敏度，采樣速度快:約8 kHz 的線掃描行頻，分辨率至少1 024 像素等性能，因此選用加拿大Dalsa 公司的一款高速CCD 芯片IL－P3－B。IL－P3－B 器件具有速度快，信噪比高，光積分時間可調(diào)等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在高速運動圖像掃描成像與計算機圖像數(shù)據(jù)采集中。IL－P3－B的有效像素為2 048，像元尺寸為14 μm×14 μm，100%填充因子，單通道輸出，還具有高響應(yīng)度和高藍光響應(yīng)特性，而且動態(tài)范圍高達1 820 ∶1。IL－P3－B 最高驅(qū)動頻率為40 MHz，在有效像素為2 048 的情況下最高掃描行頻為19 kHz，滿足工業(yè)現(xiàn)場流水線檢測的高實時性應(yīng)用要求。IL－P3－B 需要6 路時序驅(qū)動和10 路偏置電壓供電才能正常工作［5］。

主處理芯片選用Altera 公司的EP3C16F484 FPGA 器件。EP3C16F484 是Altera 公司的Cyclone3系列器件，具有低功耗、低成本、高邏輯資源等特點。和Cyclone2 系列器件相比，Cyclone3 器件密度提高1.7 倍，邏輯單元(LE)達到120 000，嵌入式存儲容量提高3.5 倍，達到4 Mbit［6］。因此，Cyclone3 器件EP3C16F484 是本系統(tǒng)較為理想的選擇。

1.3 IL－P3－B 外圍電路設(shè)計

線型CCD IL－P3－B 的偏置電壓都為固定的直流電壓，其中VPR 為光積分場效應(yīng)管的漏極電源電壓，一般將其設(shè)置為14 V;VSTOR為存儲勢阱電壓，一般為2 V 左右;VSET為輸出柵上的偏置電壓，常為1.2 V 左右;VBB為輸出檢測二極管的P 區(qū)偏置電壓，常為－2 V 左右;VOD為輸出復(fù)位場效應(yīng)管的漏極電源電壓［5］。對于偏置電壓電路的設(shè)計可以使用線性穩(wěn)壓電源芯片LDO 和一些高精度的放大器輸出直接供電，只要滿足其電壓值大小即可。

IL－P3－B 能否準確輸出像素，最關(guān)鍵的是6 路時鐘驅(qū)動信號(CR1、CR2、CRLAST、TCK、PR 與RST)的設(shè)計，且這6 路時鐘驅(qū)動信號的幅值不都是常見幅值(如RST 信號的高電平為7 V，TCK 的低電平為－3.5 V，PR 的高電平為4 V［5］)。因此需要選用一些專用的驅(qū)動芯片驅(qū)動，這些驅(qū)動芯片則由FPGA 內(nèi)部邏輯電路提供時鐘和控制信號，如圖2 所示。

圖2 IL－P3－B 驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖

CR2 與CR1 信號同頻反相，CRLAST 與CR1 同頻同相，因此采用一款快速COMS 時鐘驅(qū)動芯片IDT49FCT805 同 時 驅(qū) 動 CR1、CR2 和 CRLAST。IDT49FCT805 有兩塊獨立的時鐘輸出，每塊有4 個輸出引腳，其中一塊用于CRLAST 與CR1，另一塊用于CR2，但要注意此芯片會將信號反相。RST 信號則由ISL55110 MOSFET 芯片驅(qū)動，ISL55110 是一款專業(yè)CCD 驅(qū)動芯片，可以達到9 V 左右的驅(qū)動電壓。TCK信號則由EL7156 驅(qū)動，但此芯片也會使信號反相。PR是用于積分時間(曝光)控制的信號，數(shù)據(jù)手冊中對PR信號的要求較為嚴格:PR 應(yīng)是一組平滑的脈沖，如果PR 信號變化的太快，OS 信號的均勻性會因PR 信號的時鐘饋通效應(yīng)而受到影響。因為電流驅(qū)動的PR 信號產(chǎn)生的時鐘饋通效應(yīng)會比電壓驅(qū)動產(chǎn)生的要?。?］，因此可以采用基于TLE2161 放大電路驅(qū)動。

FPGA 由外部80 MHz 晶振提供時鐘，利用FPGA內(nèi)部鎖相環(huán)(PLL)可以分頻得到40 MHz 的時鐘。CR1 為40 MHz，占空比1 ∶2的信號，CR2 與CR1 同頻反相，則可將CR1 取反得到CR2，CRLAST 與CR1 同頻同相，可以使用同一個信號驅(qū)動。RST 與CR1 同頻且其占空比為1 ∶4，可將80 MHz 的外部時鐘取反后與CR1 相與得到RST 信號。圖3 為FPGA 內(nèi)部邏輯電路輸出的QuartusⅡ仿真結(jié)果。圖4 則為經(jīng)過時序驅(qū)動電路后到達CCD 器件引腳的示波器(Tektronix 的TDS1012C－SC 型號，帶寬100 MHz)實測結(jié)果，可以看出結(jié)果滿足圖5(a)中IL－P3－B 的時序要求，并且PR 信號(圖4(d))的變化沿較為平滑，因而得到了較好的CCD 輸出信號(圖5(b))。

CCD 輸出的信號幅度較小，而AD 采樣需要的模數(shù)轉(zhuǎn)換量化位數(shù)又高［7］，例如對輸出為1 V 的CCD 信號進行12 bit 的量化，那么量化的最低位只有244 μV。因此CCD 的輸出信號OS 需要采用放大電路放大。放大電路采用大帶寬的運算放大器MAX4224，帶寬600 M，增益調(diào)至為2。另外CCD 的輸出信號是交流信號，因此放大電路的輸入端需采用電容耦合方式，隔去直流信號。

圖3 FPGA 內(nèi)部邏輯電路產(chǎn)生CCD 驅(qū)動信號的仿真波形

圖4 到達IL－P3－B 引腳的驅(qū)動信號實測波形

圖5 IL－P3－B 時序要求與其輸出信號的實測波形

2 系統(tǒng)噪聲分析與校正算法研究

2.1 系統(tǒng)噪聲分析

噪聲是決定圖像質(zhì)量的重要因素。CCD 圖像傳感器的輸出信號是空間采樣的離散模擬信號，其中夾雜著各種噪聲和干擾，而噪聲會影響CCD 成像器件探測微弱光的能力。從微觀上講，CCD 相機噪聲主要有散粒噪聲、暗電流噪聲、轉(zhuǎn)移噪聲、復(fù)位噪聲、輸出放大噪聲等［8］。而且這些噪聲產(chǎn)生原因較為復(fù)雜，不利于在FPGA 的邏輯電路上建立模型，因而只能從宏觀上分析。宏觀上講，CCD 相機噪聲主要分為非均勻性噪聲(PRNU)與固定模式噪聲(FPN)。非均勻性［9］噪聲主要是由傳感器的光電響應(yīng)不一致性產(chǎn)生的，固定噪聲是系統(tǒng)固有的噪聲?；谶@一劃分，可以采用一種兩點法的實時校正方式加以校正。在深讀其他文獻［10－11］的實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)兩點法雖可以校正上述兩種噪聲，但也會帶來一些影響，如兩點法中減去的固有的噪聲是固定的系數(shù)，但實際固有噪聲值并不固定，其次兩點法會使得圖像的一些邊緣信息弱化。對應(yīng)用于工業(yè)檢測的本相機系統(tǒng)并不能完全適用，針對這一問題，本文利用FPGA 邏輯電路的并行特性加入了一種兩點法、邊緣檢測、均值濾波及圖像融合相結(jié)合的實時校正算法原理，使得校正后的圖像帶有邊緣信息，更加利于工業(yè)檢測。

2.2 并行校正算法原理及硬件實現(xiàn)

利用可編程邏輯器件FPGA 與Verilog HDL 語言的并行特點，實現(xiàn)如圖6 所示的算法流程。

圖6 并行校正算法原理框圖

算法流程分為3 個階段，第1 階段實現(xiàn)兩點法中減法與乘法運算。接著將第1 階段得到的圖像分別送到第2 階段的邊緣檢測與均值濾波模塊中，并行處理，并將得到的圖像在第3 階段中進行融合得到校正后的圖像。

兩點法采用適用于FPGA 邏輯電路的線性兩點法［10］:yi=(xi－bi)×ai。yi=輸出數(shù)據(jù)，xi=相機原始數(shù)據(jù)，bi=從原始數(shù)據(jù)中減去的固有噪聲值，ai=數(shù)據(jù)均勻校正系數(shù)。對于系數(shù)ai不為整數(shù)的運算可以使用定點法［11］實現(xiàn)，即定義一個6 bit 的寄存器型數(shù)據(jù)，高2 位表示整數(shù)部分，低4 位則表示小數(shù)部分。

邊緣檢測采用Sobel 邊緣檢測算子計算，Sobel邊緣檢測算子是一個3×3 的固定矩陣，很容易在空間上實現(xiàn)。Sobel 邊緣檢測不但產(chǎn)生較好的邊緣檢測效果，而且受噪聲的影響也比較?。?2］。但由于本相機系統(tǒng)是線掃描的，每次曝光只能輸出一行像素值，所以需要FPGA 片內(nèi)RAM 緩存3 行像素，從而形成動態(tài)的3 行流水線處理。均值濾波是求3×3窗口內(nèi)像素的平均值，也需要3 行像素的RAM 緩存，但均值濾波最大的缺點是模糊了細節(jié)［13］，因此需要與邊緣檢測相結(jié)合。

最后將對應(yīng)的邊緣圖像與圖像融合模塊中設(shè)定的閥值作比較，邊緣圖像像素值大于閾值的像素點置為指定值(如最大值)，反之則取對應(yīng)像素點均值濾波后的像素值。在FPGA 實現(xiàn)上述算法流程后，所得的實驗結(jié)果見系統(tǒng)測試與結(jié)果分析一節(jié)。

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

系統(tǒng)由兩塊6 層印刷電路板PCB 組成，在測試相機之前，需確定相機的硬件部分無任何設(shè)計性錯誤和工藝故障，且各元器件均能正常工作。測試的主要目的是為了驗證系統(tǒng)的功能是否能實現(xiàn)以及系統(tǒng)性能是否達到要求。

試驗方法與步驟:

(1)因為CCD 是極易受靜電損壞的模擬器件，因而必須采用防靜電操作。

(2)將樣機(圖7(a))接上CameraLink 電纜并同時接到上位機圖像采集板卡。

(3)將樣機對準被測物體(圖7(b))，被測物是裝有日光燈的滾筒，用于模擬工業(yè)流水線現(xiàn)場。

(4)打開總電源，調(diào)節(jié)鏡頭光圈與焦距直到觀察到清晰圖像(圖7(c)、7(d))。

在上位機采用Dalsa 的X64－CL 采集卡并使用軟件CamExpet，對所設(shè)計的相機系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集，形成二維圖像，實驗結(jié)果如圖7(c)、7(d)。圖7(c)為未加入校正算法采集到的圖像，圖7(d)為加入校正算法后采集到的圖像。可以看出，圖7(d)得到了較清晰的圖像，并且在實現(xiàn)了校正算法后得到了更加清晰及帶有邊緣信息的圖像，滿足項目中工業(yè)現(xiàn)場檢測的特殊要求。但在實驗結(jié)果中，我們也不難發(fā)現(xiàn)圖像中夾雜著有規(guī)律的條紋信息(圖7(d))，這主要是由測試光源使用的交流光源導(dǎo)致的，交流光源是50 Hz 的交流供電，與圖像中的50 Hz 的條紋信息剛好吻合。因此，在工業(yè)檢測中應(yīng)使用隔離過的直流光源作為系統(tǒng)光源，這樣就不會產(chǎn)生條紋信息。本文在經(jīng)過多個版本的電路測試后，發(fā)現(xiàn)電路設(shè)計的不同會對系統(tǒng)的噪聲有一定的影響，而相機的主要性能決定于CCD 器件。

圖7 實驗測試與實驗結(jié)果

4 結(jié)束語

本文對用于工業(yè)現(xiàn)場檢測的CCD 線陣相機進行了研制，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖、驅(qū)動結(jié)構(gòu)圖及仿真與實測波形，設(shè)計的系統(tǒng)具有通用的CCD 相機功能，能結(jié)合上位機板卡采集完整圖像。另外用FPGA 實現(xiàn)了時序驅(qū)動和相機校正與處理功能。為今后設(shè)計具有FPGA 檢測處理功能的CCD 相機系統(tǒng)提供參考。

［1］ 米本和也，陳榕庭，彭美桂. CCD/CMOS 圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用［M］.北京:北京科學(xué)出版社，2006.

［2］ 王祖軍，張勇，唐本奇.TCD132D 線陣CCD 總劑量效應(yīng)的實驗分析［J］.電子器件，2010，33(1):18.

［3］ 陳赟，何惠陽.基于CPLD 的μPD3575D 線陣CCD 驅(qū)動電路設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(6):2527－2528.

［4］ 李麗莎，佟首峰，王雪松.基于雙線陣的CCD 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.儀器儀表用戶，2010，17(2):24－25.

［5］ Dalsa.IL－P3－B Line Scan Sensors Datasheet［S］.2000:1－8.

［6］ Altera.Cyclone ⅢDevice Datasheet［S］.2010:1－6.

［7］ Analog.Complete 12－Bit 40 MHz CCD Signal Processor AD9945 Datasheet［S］.2000:1－5.

［8］ 許秀真，李自田，薛利軍. CCD 噪聲分析及處理技術(shù)［J］. 紅外與激光工程，2004，33(4):344.

［9］ 張之江，鄒賓，陳迎娟.CCD 亞像素細分中的像素響應(yīng)不均勻性補償技術(shù)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2005，18(1):57－58.

［10］ 李玉玨.基于兩點法的實用FPA 非均勻性校正系統(tǒng)［J］. 激光與紅外，2007，37(8):754－755.

［11］ 趙登超，胡君紅，鐘勝. 基于FPGA 的兩點非均勻校正模塊的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2006，22(29):4.

［12］ 吳術(shù)路. 基于Sobel 算子圖像邊緣檢測的MATLAB 實現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2010，6(19):5314.

［13］ 李秀峰，蘇蘭海，榮慧芳.改進均值濾波算法及應(yīng)用研究［J］.微計算機信息，2008，24(1):235.