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1、专用CCD信号处理芯片和USB2．0技术在CCD相机设计中的应用第5卷第16期2005年8月1671—1815(2005)16—1200-06科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVo1.5No.16Aug.2005⑥2005Sci.Tech.Engng.专用CCD信号处理芯片和USB2.0技术在CCD相机设计中的应用李涛汶德胜郑培云(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘要介绍了专用CCD信号处理芯片VSP2212和USB2.0芯片CY7C68013在CCD相机设计中的应用.给出了硬件实现方案.其中对VSP221
2、2和CY7C68013作了较为详细的介绍.关键词电荷耦合器件(CCD)USB2.0固件驱动程序中图分类号TP334.7;文献标识码BCCD(ChargeCoupledDevices)即电荷耦合器件,是一种新型的光电成像器件,具有体积小,重量轻,分辨率高,灵敏度高,可靠性好等优点.以CCD芯片为感光芯片的CCD相机系统目前广泛应用于机器人视觉系统,安全保卫系统,智能交通系统以及Internet接入装置等领域.并且随着CCD技术的迅速发展,CCD相机系统逐步应用于航天探测领域].传统的CCD相机系统组成一般如图1所示.其中视频预处理及放大电路,CDS视频处理电路和A/D转
3、换电路是由各自独立的器件完成的,具有电路复杂,调试不方便等缺点;另外主机从FIFO缓存中读取数据采用RS232串行接口或并行接口进行数据传输也具有传输速度慢等缺点.整体看来,传统的CCD相机系统具有数据传输速度慢,体积大等缺点,不利于更广泛地应用.但近年来随着信息技术的飞速发展,CCD视频信号处理专用芯片及USB2.0接口技术在上述两个电路部分的应用使得CCD相机系统有了重大的改变.新型的CCD相机系统组成如图2所示.在采用了新的技术后,不仅解决了数据传输速度和小型化的问题,此外,由于降低了整个系统复杂性,减少了各自独立的器件.2oo5年4月29日收到第一作者简介:李
4、涛(1973一),男,白族,中科院西安光学精密机械研究所硕士研究生,研究方向:信号与信息处理.光电信号数字检测;E-mail:l_t55@opt.ac.cn.因此系统的设计和调试的方便性和系统的稳定性都有所提高.CCD探镤I嚣●电平转换直漉驱动驱动电路电压产生'CPLD时序产生电鼯'f銎黉荽H视频处理H转换II..—.j数据采集卡l一,I"I主机处理l)图I传统的CCD相机系统组成图本文主要分析了专用CCD信号处理芯片VSP2212和USB2.0接口芯片CY7C68013的工作原理,并在此基础上设计了CCD信号处理电路.l芯片简介1.1CCD数字相机视频信号处理器V
5、SP2212的特点及功能VSP2212是Burr—Brown推出的新款视频信号处理器.这款芯片主要是针对电荷耦合器件(CCD)l6期李涛.等:专用CCD信号处理芯片和USB2.0技术在CCD相机设计中的应用1201CCD探测器'CPI.I)对序Il电平转换直'流驱动产生电耋暑r.1驱动电路宅压产生.号处理芯片r.1据采集卡土仉姐理图2新的CCD相机系统组成图影像应用产品而设计的,如数字摄像机,数字静态相机和PC/录像会议相机.这种高性能的混合信号处理芯片采用相关双采样技术CDS(correlateddoublesampling)提取图像信息,可编程增益PGA(prog
6、rammablegainamplifier)控制范围可以达到一6dB～+42dB,具有良好的输入信号钳位和CDS输入偏移校正性能,并提供暗电平钳位给出准确的暗电平参考.此外,暗电平在增益改变后会很快重新建立.一个12位ADC,转换速率高达20MHz,方便CCD阵列信号的数字处理.两个片上通用8位数模转换器,可以提供不同模拟控制电压,例如CCD图像器件的Vs0B控制.VSP2212的最低电压为2.7V到3.6V,最低功率99mW,而且噪声低(信噪比为79dB),最适合应用在小型化嵌入式CCD数字相机系统中.VSP2212结构框图如图3所示.VSP2212集中了如下特性.
7、(1)双相关采样CDS(correlateddoublesampling)目前CCD多为埋沟道器件,输出图像信号中的噪声以CCD输出结构产生的复位噪声占主要地位.为了降低复位噪声和低频噪声,VSP2212采用了双相关采样技术.双相关采样的原理是在CCD输出像元N的信号周期内对参考电平和视频电平分别采样,并将两个采样电平经差动放大器输出,得到的信号就是视频信号…这一过程把与参考电平和视频电平都相关的复位噪声滤除了,而且对低频噪声也有一定的滤除效果[2].(2)输入钳位和哑像元(DUMMYPIXEL)钳位因为进入CDS的信号是电容耦合过来的,去掉了直流分
