四线同步串口在CCD成像系统中的应用_王文华
线阵CCD测量系统在数控车床中的应用
Ｖｏ ９， ． Ｌ２ Ｎｏ ２
西 华 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ）
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２ｌ ０ Ｏ年 ３月
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文章编号 ：６ ３１９ ２ １ ） ２０ ４ － １７ －５ Ｘ（０ ０ ０ － １０ ０ ３
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CCD成像原理及应用
CCD成像原理及应用CCD（Charge-Coupled Device）成像原理是一种利用半导体材料对光信号进行转换的技术。
它通过将光信号转化为电荷信号，再将电荷信号转化为电流信号，最后将电流信号转化为电压信号，从而实现对光信号的捕捉和处理。
CCD成像原理的主要步骤如下：1.感光：CCD感光元件是由光敏二极管和光电荷转换区组成的。
当光照到感光元件上时，光子的能量会激发出电子。
这些电子会被光电荷转换区吸收并转化为电荷。
2.电荷传输：通过将电荷信号从感光元件逐行传输到垂直传输寄存器，再从垂直传输寄存器逐列传输到水平传输寄存器，最后通过输出端口传出。
3.电荷放大：CCD通过将电荷信号转化为电压信号进行放大。
利用源跟随放大器的原理，将电荷信号放大到可以被后续电路读取的范围。
4.信号读出：CCD通过驱动电路将放大后的信号传输到输出端口，进行数字化处理或者进行模拟信号输出。
1.数码相机：现代数码相机中，CCD作为光电传感器，负责将图像光信号转化为电信号，通过数码电路进行处理，最终生成数字图像。
2.星载遥感：星载遥感卫星利用CCD技术捕捉地面上的图像，对地表进行监测和测量。
其高分辨率和广域性能，可以提供大范围、高精度的地表图像数据。
3.医学影像：CCD技术被广泛应用于医学影像领域，如X射线成像、核磁共振成像等。
CCD的高灵敏度和低噪声性能可以提高诊断效果。
4.工业检测：CCD可以实时捕捉物体表面的微小缺陷，广泛应用于工业品质检测、半导体芯片制造等领域。
5.视频监控：CCD技术被广泛用于安全监控领域，如街道监控、商场监控等。
其高分辨率和快速响应能力可以提供清晰、稳定的图像。
总的来说，CCD成像原理通过光敏二极管将光信号转化为电荷信号，再通过驱动电路将电荷信号传输和处理，最终实现光信号的捕捉和成像。
CCD技术在数码相机、遥感、医学影像、工业检测、视频监控等领域都有着广泛的应用。
CCD图像采集解决方案
CCD图像采集解决方案一、简介CCD（Charge-Coupled Device）图像传感器是一种常用于图像采集的设备，它能够将光信号转换为电信号，并通过相应的处理流程将图像信息传输到计算机或其他设备上。
本文将介绍一个基于CCD图像采集的解决方案，包括硬件设备和软件系统的搭建。
二、硬件设备1. CCD传感器：选择高质量的CCD传感器，具有较高的分辨率和灵敏度，以确保图像采集的准确性和清晰度。
2. 光源：提供适当的照明条件，以确保图像的亮度和对比度。
3. 适配器：将CCD传感器与镜头连接，确保传感器能够准确捕捉到图像。
4. 控制电路：用于控制CCD传感器的工作模式和参数设置，如曝光时间、增益等。
5. 数据传输接口：选择合适的接口（如USB、Ethernet等），将采集到的图像数据传输到计算机或其他设备上。
三、软件系统1. 驱动程序：根据CCD传感器的型号和厂商提供的开发文档，编写相应的驱动程序，实现与硬件设备的通信和控制。
2. 图像采集软件：开发一个图像采集软件，具有以下功能：- 实时预览：显示CCD传感器捕捉到的图像，方便用户调整照明和参数设置。
- 图像保存：支持将采集到的图像保存为常见的图像格式，如JPEG、PNG等。
- 批量采集：支持连续采集多张图像，并自动保存到指定的文件夹。
- 图像处理：提供基本的图像处理功能，如调整亮度、对比度、裁剪、旋转等。
- 数据分析：支持对采集到的图像进行分析和处理，如测量尺寸、计算像素密度等。
3. 用户界面：设计一个直观友好的用户界面，使用户能够方便地操作图像采集系统，调整参数和查看采集结果。
四、操作流程1. 连接硬件设备：将CCD传感器、适配器和控制电路正确连接，并确保光源正常工作。
2. 安装驱动程序：根据提供的驱动程序安装指南，将驱动程序安装到计算机上。
3. 启动图像采集软件：双击图像采集软件的图标，启动软件。
4. 设置参数：根据实际需求，设置图像采集的参数，如曝光时间、增益、图像保存路径等。
CCD图像采集解决方案
CCD图像采集解决方案引言概述：CCD图像采集解决方案是一种用于获取数字图像的技术，它在各个领域都有广泛的应用。
本文将从五个大点出发，详细阐述CCD图像采集解决方案的重要性和应用。
正文内容：1. CCD图像采集解决方案的基本原理1.1 光电转换原理：CCD（Charge Coupled Device）是一种利用半导体材料的光电转换特性将光信号转换为电信号的器件。
它通过将光子转化为电子，并将电子储存在电容中，然后通过移位寄存器将电荷转移到输出端，最终形成数字图像。
1.2 像素阵列：CCD图像传感器由大量的像素组成，每个像素都能够捕获光子并产生电荷。
这些像素按照一定的排列方式形成像素阵列，从而实现对整个图像的采集。
2. CCD图像采集解决方案的应用领域2.1 工业检测：CCD图像采集解决方案可以应用于工业领域的自动化检测，例如产品质量检测、缺陷检测和尺寸测量等。
它可以实时捕获高分辨率的图像，并通过图像处理算法进行分析和判断。
2.2 医学影像：CCD图像采集解决方案在医学影像领域也有广泛应用，例如X 射线图像的采集、CT扫描图像的采集等。
它可以提供高质量的图像，帮助医生进行疾病诊断和治疗。
2.3 安防监控：CCD图像采集解决方案可以用于安防监控系统，例如摄像头的图像采集和录像。
它可以提供清晰、稳定的图像，帮助监控人员监控和管理安全。
3. CCD图像采集解决方案的优势3.1 高分辨率：CCD图像采集解决方案可以提供高分辨率的图像，能够捕获更多的细节信息。
3.2 低噪声：CCD图像采集解决方案具有较低的噪声水平，可以提供清晰、真实的图像。
3.3 宽动态范围：CCD图像采集解决方案具有较宽的动态范围，可以捕获亮度差异较大的场景。
4. CCD图像采集解决方案的发展趋势4.1 高速采集：随着科技的发展，CCD图像采集解决方案的采集速度越来越快，可以实现高速连续采集。
4.2 多通道采集：为了满足多种需求，CCD图像采集解决方案可以实现多通道的同时采集，提高效率。
高速CCD相机图像卡接口电路的设计
高速CCD相机图像卡接口电路的设计
李艺琳;冯勇;王乙牛
【期刊名称】《哈尔滨商业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(22)1
【摘要】针对多通道CCD相机,提出了一种图像数据实时采集和图像显示的方法,CCD的数据采集和图像显示由图像卡完成.CCD相机与图像卡的数据传输的硬件接口按标准RS-422串行接口设计,这种差分方式传递信号方法能有效抑制共模信号,提高数据在传输中抗噪声能力.利用高速硬盘解决了大容量、高速度、多通道的图像数据的实时采集和存储问题,通过多线程处理来从软件上弥补硬盘读写速度不足的缺陷.将采集到的CCD相机数据转换成标准BMP文件来显示图像.
【总页数】6页(P46-50,54)
【作者】李艺琳;冯勇;王乙牛
【作者单位】哈尔滨工业大学,电气工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,电气工程系,黑龙江,哈尔滨,150001;黑龙江省中医研究院,黑龙江,哈尔滨,150036【正文语种】中文
【中图分类】TM921.52
【相关文献】
1.大面阵CCD相机高速图像压缩系统设计 [J], 刘妍妍;李国宁;王文华;张然峰;金龙旭
2.新型数字CCD相机及其图像数据传输卡设计 [J], 宋志平;洪津;乔延利;钱伟;周文
勤
3.机载TDI CCD相机高速图像实时存储系统 [J], 周刚;翟林培;王德江;周九飞;赵忠文
4.基于数字CCD相机的高速图像采集系统 [J], 韩丙辰;陈树越
5.一种百万像素CCD图像采样接口电路的设计与实现 [J], 陈学峰;周荣政;洪志良因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
一种多通道CCD图像数据传输系统的设计
一种多通道CCD图像数据传输系统的设计作者：李洪法来源：《科技资讯》 2014年第1期李洪法(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春 130033)摘要：本文针对CCD成像系统图像数据通道多、传输数据率大的问题,设计了一套使用XC2V3000和DS90CR217/DS90CR218A实现多通道CCD图像数据传输的系统。
该系统可实现输入时钟最高为85 MHz,数据吞吐率最大为1.785 Gbps的CCD图像数据传输。
同时在本系统中总结了印制线路板设计中的一些经验。
调试完成后,该系统已在某线阵CCD的图像传输中获得了很好的应用。
关键词：多通道CCD 数据传输系统 FPGA Channel Link中图分类号:TN915 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2014)01(a)-0009-02Design of Multi-channel CCD Image Data Transmission SystemLi Hongfa(Changchun Institute of optics, fine mechanics and physics,CAS,ChangchunJilin,130033,China)Abstract:Aiming at multichannel and high speed imaging data of CCD, a system of high speed has been designed based on XC2V3000 and DS90CR217/DS90CR218A to realize the multi-channel CCD image data transmission. The max pixel rate is 85 MHz,and the max data rate is 1.785 Gbps. Some experiences have been summarized during printed circuit board design.After debugged,the system designed in this paper has been applied in a linear CCD image data transmission, and runs well.Key Words:Multi-channel CCD; Data Transmission; FPGA; Channel Link由于半导体工艺的进步,CCD图像传感器制作工艺的也不断提高,从而使得基于CCD传感器的相机在分辨率和扫描能力上也不断提高。
串口通讯在CCD相机系统中的应用
串口通讯在CCD相机系统中的应用
单金玲;张伯珩;边川平;李文刚
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2007(023)017
【摘要】结合CCD相机系统的接口设计,介绍了串口通讯的应用方案.对系统串行通讯体系、串行通讯协议的设计、软件实现等方面给出了实际应用中的设计要点.为今后串行通讯设计工作积累了实际经验.
【总页数】2页(P77-78)
【作者】单金玲;张伯珩;边川平;李文刚
【作者单位】710068,西安,中国科学院西安光学精密机械研究所;710068,西安,中国科学院西安光学精密机械研究所;710068,西安,中国科学院西安光学精密机械研究所;714200,陕西华阴,陕西华阴兵器试验中心
【正文语种】中文
【中图分类】V447.2
【相关文献】
D相机系统中的高信噪比多通道信号处理设计 [J], 张健;张伯珩;边川平;李爱玲
2.空间应用6000元线列CCD相机驱动电路与图像采集系统设计 [J], 万文;薛永祺
3.专用CCD信号处理芯片和USB2.0技术在CCD相机设计中的应用 [J], 李涛;汶德胜;郑培云
4.针对数码相机及摄像机应用的兆级像素CMOS传感器——为OEM在低成本数码相机产品中采用CCD提供了可选方案 [J],
D相机高速数据存储系统中的无缝缓存技术 [J], 张国兵;孟令军;王宏涛;李宝钢
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一种多通道CCD图像数据传输系统的设计
一种多通道CCD图像数据传输系统的设计
李洪法
【期刊名称】《科技资讯》
【年(卷),期】2014(000)001
【摘要】本文针对CCD成像系统图像数据通道多、传输数据率大的问题,设计了一套使用XC2V3000和DS90CR217/Dsg0cR218A实现多通道CCD图像数据传输的系统.该系统可实现输入时钟最高为85 MHz,数据吞吐率最大为1.785 Gbps 的CCD图像数据传输.同时在本系统中总结了印制线路板设计中的一些经验.调试完成后,该系统已在某线阵CCD的图像传输中获得了很好的应用.
【总页数】2页(P9-10)
【作者】李洪法
【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春 130033
【正文语种】中文
【中图分类】TN915
【相关文献】
1.一种基于高速串行接口技术的CCD图像数据传输系统的设计实现 [J], 李洪法
2.高清CMOS图像传感器多通道数据传输系统设计 [J], 张克寒;李明伟
3.高速多通道CCD图像数据处理与传输系统设计 [J], 张贵祥;金光;郑亮亮;张刘
4.一种基于Aurora协议的多通道数据传输系统设计 [J], 焦志超
5.一种新型的变电站分布式数据交换与多通道数据传输系统 [J], 刘美玲;罗安;周柯;唐雯
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使用CPLD实现对DALSA4口输出线阵CCDIT-P1的驱动
使用CPLD实现对DALSA4口输出线阵CCDIT-P1的驱动彭富伦
【期刊名称】《应用光学》
【年(卷),期】2005(026)001
【摘要】本文分析研究了DALSA公司1024元4口输出线阵CCD IT-P1在驱动中存在的诸多问题.针对CCD IT-P1采用多口输出工艺、驱动频率要求高、驱动时序比较难于实现等问题,提出了使用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件结合硬件编程语言VHDL最终实现高频驱动的方法.与使用传统门电路实现高频驱动相比,该方法实现了大量门电路功能,解决了传统方法中大量高频门电路的干扰以及采购等问题,提高了驱动电路的集成化程度、抗干扰性能及可移植性能.实验表明,使用CPLD实现CCD的驱动无论在电路设计,还是在系统集成和抗干扰等方面都表现出良好的性能,使系统十分简洁,优化了整个驱动设计.
【总页数】5页(P56-59,52)
【作者】彭富伦
【作者单位】西安应用光学研究所,陕西,西安,710065
【正文语种】中文
【中图分类】TP312;TN386.5
【相关文献】
1.基于CPLD技术的新型线阵CCD TCD1501的驱动时序设计与实现 [J], 李强
2.基于CPLD的线阵CCD驱动电路设计方法的研究与实现 [J], 胡丽;宋文爱;杨录
3.基于CPLD的线阵CCD-TCD1501D驱动时序的设计与实现 [J], 林德辉;谢楠
4.基于CPLD的线阵CCD的驱动电路设计与实现 [J], 郭焱
5.基于CPLD的线阵CCD驱动时序的设计与实现 [J], 林德辉;道克刚;钟绍俊因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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技术创新《微计算机信息》2011年第27卷第2期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》博士论坛四线同步串口在CCD 成像系统中的应用Application of 4-Wire Synchronous Serial Interface in dual-port CCD system(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间二部)王文华任建岳金龙旭张柯WANG Wen-hua REN Jian-yue JIN Long-xu ZHANG Ke摘要:三线同步串口传输方式具有简单可靠、实现容易、占用线缆少等优点,为了适应线阵CCD 双端输出的高速成像模式需求,本文引入了DDR(Double Data Rate,双数据速率)读写方式,对三线同步串口进行改造,探讨如何在较低时钟频率下达到较高的传输带宽,提出了基于DDR 的四线同步串口设计,当同步帧使能信号有效时,同时传输两组具有固定时延的数据,在接收端设计合适的缓存协议,实现了图像高速串行传输。
该设计的程序编码比较简单,不过多增加传输线缆的负担,易于软硬件实现和工程应用。
关键词:四线同步串口;DDR;CCD 双端输出;Modelsim-MATLAB 联合仿真中图分类号:TN919文献标识码:A Abstract:Traditional 3-wire synchronous serial interface (SSI)is widely used for its yarage,high reliability with less connection.To adapt to higher transmission rate of dual-port CCD image system,the author introduces DDR interface to study how to obtain higher transmission bandwidth with lower clock rate.The paper raises the design of 4-wire SSI based on 3-wire mode.When the syn -chronous frame enable is active,two groups of phase-locked data are clocked both on the rising edge and falling edge of the clock,effectively doubling the raw bandwidth with the same clock.In addition,it almost doesn't increase the connection burden.This design can be easily implemented with programming code and could be put into practical engineering with relevant hardware.Key words:4-wire SSI;DDR;Dual-port CCD system;Co-simulation with Modelsim-MATLAB文章编号:1008-0570(2011)02-0038-031引言随着技术的不断发展和人们需求的不断提高,基于线阵CCD 的数字成像系统对图像覆盖宽度和CCD 推扫速度提出了更高的要求,即线阵CCD 像元数不断增加,成像推扫行频不断提高,而这两者的乘积反映的正是CCD 的像元速率,也就意味着线阵CCD 成像系统面临更高的图像数据传输速率问题。
从节省线缆走线角度考虑,串行传输是比较经济高效的数据传输方式。
SPI 接口技术是Motorola 公司推出的一种同步串行接口技术,主要用于扩展外设和进行数据交换,系统软硬件具有良好的通用性,在很多芯片接口中广泛应用。
单向传输时称为三线同步串行总线,分别是SDO(数据输出)、SCLK(时钟)和SEN (传输使能)。
由于不需要借助特定的编码与解码芯片,硬件实现简单易行,因而在高速图像数据传输中得到应用,尤其是在遥感成像数据传输中,以其接口线少、协议简单、传输速率快等优点而得到广泛应用。
当CCD 行频很高时,CCD 像元读出速率也相应提高,很多CCD 芯片设计成双端输出方式,既能有效缓解图像读出速率的压力,同时还能提高CCD 水平电荷转移效率,然而双端视频信号在合成后仍然面临较高的数据带宽。
本文针对这个问题,引入常见的DDR(Double Data Rate,双数据速率)技术,将双端视频数据的整合到数据接收端,探讨适合双端输出CCD 的数据传输方案。
2.四线同步串口方案设计过程2.1设计背景图1双端输出CCD 结构简图在CCD 单端输出情况下,数字图像的传输与接收显示技术都比较成熟,只是随着输出像元速率的提高,CCD 的驱动电路速率和图像数据传输带宽成为设计瓶颈[3]。
为此,CCD 厂家将CCD 设计为双端甚至多个抽头输出视频信号,如图1所示,这样做不仅解决了以上问题,另一个重要优点是提高了水平电荷转移效率。
由于CCD 成像需要的驱动时序以及成像参数种类繁多,需要能产生各种时序信号且灵活配置的处理器,当前以可编程逻辑器件(如FPGA 、CPLD 等)为主流,如FPGA 两大生产商Altera 和Xilinx 公司,其生产的FPGA 芯片内部大都集成了时钟管理模块(PLL 、DLL 、DCM 等),输出引脚均支持多种电平格式,其中LVTTL 电平以其电压低、兼容性强而被广泛使用。
CCD 输出的两路视频信号各自经过AD 量化后,需将并行数据转为串行传输。
传统思路是采用三线同步串口传输,电气接口使用LVTTL ———LVDS ———LVTTL 电平传输方式,逻辑时序如图2所示。
该方案在软件和硬件上都比较容易实现,但在传输速率上受到一定的限制,虽然LVDS 传输速率理论上可超过600Mbps,然而发送和接受端得LVTTL 电平受到约束。
由于LVTTL 电平自身时钟沿存在约2ns 的抖动,因此时钟SCLK 极限频率约为200MHz 。
另一方面,即使FPGA 时钟勉强达到200MHz,三个同步信号的相位关系也难以保证,一旦数据的建立时间和保持时间不能满足,在接收端无法正确采集串行数据,则会造成整个数据传输的失败。
要想尽可能减少硬件上的更改,王文华:博士助理研究院38--邮局订阅号：82-946120元/年技术创新博士论坛《PLC 技术应用200例》您的论文得到两院院士关注仍然在LVTTL 电平标准下实现高速传输,则必须对三线同步串口进行改进。
图2三线同步串口传输时序图我们考虑引入DDR 技术,仅增加一根数据线就可以一半的带宽完成数据的传输。
同时,对于双端输出的视频信号,要在一个显示通道显示整片CCD 的图像,还应注意在图像接收端的整合方式。
下面来介绍如何在三线同步串口基础上实现两路图像数据的同步串行传输。
2.2传输时序设计当传统的三线同步串行接口遇到较高的带宽要求时,我们考虑到:如果将待传数据一分为二,然后用同一个时钟驱动串行输出,那么紧张的时序就可以得到缓解。
我们可以引入DDR 双沿读写技术,如图3所示,两组数据共用同一个时钟,设定前者在时钟下降沿采数,后者在时钟上升沿采数。
接收端在时钟SCLK 下开始合并两组时序,即在同步时钟的上升沿和下降沿都采集数据,第二组数据的使能信号与第一组数据只相差半个时钟周期,可在数据接收端由SCLK 下降沿锁存产生,这样就形成了DDR 四线同步串行传输。
如此,在三线同步串口协议基础上增加一根数据线,使用频率为f 时钟就可以将数据传输带宽增至2f 。
换句话说,是以一半带宽完成了两倍数据量的传输,其根本原理就是通过将数据分成两路伪并行传输(存在一定相位差),在同样带宽需求下降低了同步时钟频率,有利于FPGA 处理器产生稳定的同步串口信号。
图3改进后的DDR 四线同步串口传输时序依照上述思想,在三线同步串口基础上要加上数据同步约束,在统一时钟驱动下将两组数据并转串(PISO)输出,其时序逻辑原理图如图4所示。
其中,后缀“*_F ”表示下降沿锁存数据,“*_R ”表示上升沿锁存数据,并行数据位宽为w,最后输出以SLEN_F 信号作为DDR 四线同步串口的输出使能。
图4同步串行发送端时序逻辑图接收端时序逻辑如图5所示,首先按照DDR 接收时序协议,将串行数据串转并(SIPO),然后将两组数据同时送到缓存Buffer RAM 进行数据整合。
同步传输往往要求数据的实时处理,这里两组数据的整合必须放在串转并完成之后、下一帧数据到来之前,因此只有在该帧使能为低的时间内完成数据的整合。
数据的拆分与整合前后呼应,用户可根据不同的数据源特点自定义传输协议,规定好两组数据在Buffer RAM 中的存放地址。
数据整合完成后,在下一帧使能有效时从Buffer RAM 输出送到需求终端。
图5同步串行接收端时序逻辑图2.3数据接收协议对接收的图像数据执行串转并操作后,要根据CCD 双端输出的特点,将数据整合成完整的一行图像数据。
因此,要结合成像的形成过程来规定RAM 的地址存放方式。
由于CCD 相机的光学系统各异,我们这里以图1所示的双端输出方式为例,定义右端输出为图像像素的起始,左端输出为图像的末尾,当对并行数据进行缓存时,要将接收到的左端数据从地址0xFFF 开始递减存储,直到地址0x800,接收到的右端数据直接从0开始,地址递增存储,直到地址0x7FF,如图6所示。
图6左右两端数据RAM 缓存地址定义2.4仿真验证对于原来的三线同步串口方式,接收端需用同步时钟实时采集使能状态,当采集到使能有效时,开始按照协议接收数据。
现在增加了一根数据线后,接收端不仅需要正确接收两路串行数据,还要保证两路数据整合无误。
下面以线阵CCD 成像系统应用的自校图形为例,说明DDR 四线同步串口传输两组同步数据并实现左右顺次对接的仿真验证过程。
现有两组自校图形,分别为锯齿波和方块,数据流在一个通道中传输,要求同时在接收端水平排列显示,预想大致如图7所示。
图7两种自校图形示例仿真方式采用Modelsim-MATLAB 联合仿真,FPGA 编程代码使用VHDL 语言。
首先使两组图形数据同时产生,进入图5所示的发送模块,针对发送模块编写测试激励文件,测试代码主要实现图6所示的接收功能,并在Modelsim-III XE6.1e 环境中仿真,设定好单帧像素数和仿真时间,仿真的同时通过VHDL 语言的TEXTIO 功能将整合完成的图形数据输出到文本。