基于FPGA和USB的面阵CCD图像采集系统设计
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2018 年 8 月 15 日 第 41 卷第 16 期
现代电子技术 Modern Electronics Technique
22 DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2018.16.006
Aug. 2018 Vol. 41 No. 16
基于 FPGA 和 USB 的面阵 CCD 图像采集系统设计
Keywords：image acquisition；area array CCD；FPGA；USB；sensor；high⁃speed data transmission
0引言
CCD 是一种能将光信号转变为电信号的探测器件， 鉴 于 其 体 积 小 、功 耗 低 、动 态 范 围 大 、响 应 速 度 快 等 优 点 ，在 图 像 传 感 和 图 像 检 测 领 域 得 到 广 泛 应 用[1]。 在 X 射线衍射仪（X⁃Ray Diffraction，XRD）中，利用面阵 CCD 替 代 测 角 仪 是 实 现 仪 器 便 携 式 应 用 的 关 键 技 术 [2]，但 应 用于 X 射线波段的科研级大面阵 CCD 价格十分昂贵，单 片 价 格 达 到 数 万 元 ，而 且 其 内 部 工 艺 复 杂 ，对 控 制 电 路 要 求 极 其 严 格 ，容 易 因 为 控 制 不 当 造 成 损 坏 [3]。 采 用 工 业 级 的 CCD 搭 建 一 个 图 像 采 集 系 统 ，为 科 研 级 面 阵 CCD 的应用提供一个前期验证的参考模型是非常必要 的。本文设计了一套实时图像采集系统，采用 FPGA 为
AD9945 芯片对 CCD 的输出信号进行相关双采样处理和 A/D 转换，经 USB 接口完成数据的高速传输，最后由上位机对数据进
行处理和显示。实验表明，设计的 CCD 图像采集系统在 40 f/s 的帧频下工作稳定，系统性能好、成本低、可靠性高，具有较好
的实用价值，能够为其他型号 CCD 的应用提供参考。
YANG wk.baidu.comongqi1，WANG Dianhong1，XU Chaoyu1，NI Xiaoyong1，LUO Linbo2
（1. China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 2. Wuhan Industrial Technology Research Institute of Geo⁃resources and Environment Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）
关键词：图像采集；面阵 CCD；FPGA；USB；传感器；数据高速传输
中图分类号：TN386.5⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2018）16⁃0022⁃04
Design of area array CCD image acquisition system based on FPGA and USB
Abstract：A real⁃time image acquisition system with the area array CCD ICX618 made by Sony as the sensor is designed. In the system with FPGA as the control core，the AD9945 chip is used to perform the related double sampling processing and A/D conversion for output signals of the CCD. The USB interface is used to complete high⁃speed data transmission，and data is pro⁃ cessed and displayed on the upper computer. The experimental results show that the designed CCD image acquisition system can work stably at the frame frequency of 40 f / s，has good performance，low cost，high reliability，and good practical value，and can provide a reference for the application of other types of CCDs.
收稿日期：2017⁃11⁃07
修回日期：2018⁃01⁃05
基金项目：湖北省自然科学基金（2014BEC073）
Project Supported by Natural Science Foundation of Hubei
Province（2014BEC073）
图 1 系统架构图 Fig. 1 Architecture of system
杨勇奇 1，王典洪 1，徐朝玉 1，倪效勇 1，罗林波 2
（1. 中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074；2. 武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司，湖北 武汉 430074）
摘 要：设计一种以 Sony 面阵 CCD 器件 ICX618 为传感器的实时图像采集系统。该系统采用 FPGA 作为控制核心，由
第 16 期
杨勇奇，等：基于 FPGA 和 USB 的面阵 CCD 图像采集系统设计
23
系统上电后，首先完成 FPGA 内各模块参数的初始 化 。 当 FPGA 接 收 到 采 集 命 令 后 ，输 出 CCD 的 驱 动 时 序，CCD 在驱动时序的控制下输出光电转换后的模拟电 压。其经射极跟随器后对 AD9945 芯片进行相关双采 样和 A/D 转换，转换结果经 FPGA 缓存和处理后传输至 USB 芯片内置的 FIFO 中。当 FIFO 达到给定深度时自 动向计算机发送存储的数据，上位机对接收的数据进行 存储、处理，最终实现图像的实时显示。 1.1 FPGA 驱动及控制模块
系统控制核心，以 CCD 为图像传感器，经 AD9945 实现 高速 A/D 转换，通过 USB 接口连接 FPGA 和计算机完成 数据和命令的传输，最后在上位机程序中实时显示采集 的图像数据。
1 系统硬件设计
系统架构如图 1 所示，该系统硬件架构图由 CCD 图 像传感器、FPGA、信号处理电路和 USB 接口组成。
现代电子技术 Modern Electronics Technique
22 DOI：10.16652/j.issn.1004⁃373x.2018.16.006
Aug. 2018 Vol. 41 No. 16
基于 FPGA 和 USB 的面阵 CCD 图像采集系统设计
Keywords：image acquisition；area array CCD；FPGA；USB；sensor；high⁃speed data transmission
0引言
CCD 是一种能将光信号转变为电信号的探测器件， 鉴 于 其 体 积 小 、功 耗 低 、动 态 范 围 大 、响 应 速 度 快 等 优 点 ，在 图 像 传 感 和 图 像 检 测 领 域 得 到 广 泛 应 用[1]。 在 X 射线衍射仪（X⁃Ray Diffraction，XRD）中，利用面阵 CCD 替 代 测 角 仪 是 实 现 仪 器 便 携 式 应 用 的 关 键 技 术 [2]，但 应 用于 X 射线波段的科研级大面阵 CCD 价格十分昂贵，单 片 价 格 达 到 数 万 元 ，而 且 其 内 部 工 艺 复 杂 ，对 控 制 电 路 要 求 极 其 严 格 ，容 易 因 为 控 制 不 当 造 成 损 坏 [3]。 采 用 工 业 级 的 CCD 搭 建 一 个 图 像 采 集 系 统 ，为 科 研 级 面 阵 CCD 的应用提供一个前期验证的参考模型是非常必要 的。本文设计了一套实时图像采集系统，采用 FPGA 为
AD9945 芯片对 CCD 的输出信号进行相关双采样处理和 A/D 转换，经 USB 接口完成数据的高速传输，最后由上位机对数据进
行处理和显示。实验表明，设计的 CCD 图像采集系统在 40 f/s 的帧频下工作稳定，系统性能好、成本低、可靠性高，具有较好
的实用价值，能够为其他型号 CCD 的应用提供参考。
YANG wk.baidu.comongqi1，WANG Dianhong1，XU Chaoyu1，NI Xiaoyong1，LUO Linbo2
（1. China University of Geosciences，Wuhan 430074，China； 2. Wuhan Industrial Technology Research Institute of Geo⁃resources and Environment Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）
关键词：图像采集；面阵 CCD；FPGA；USB；传感器；数据高速传输
中图分类号：TN386.5⁃34
文献标识码：A
文章编号：1004⁃373X（2018）16⁃0022⁃04
Design of area array CCD image acquisition system based on FPGA and USB
Abstract：A real⁃time image acquisition system with the area array CCD ICX618 made by Sony as the sensor is designed. In the system with FPGA as the control core，the AD9945 chip is used to perform the related double sampling processing and A/D conversion for output signals of the CCD. The USB interface is used to complete high⁃speed data transmission，and data is pro⁃ cessed and displayed on the upper computer. The experimental results show that the designed CCD image acquisition system can work stably at the frame frequency of 40 f / s，has good performance，low cost，high reliability，and good practical value，and can provide a reference for the application of other types of CCDs.
收稿日期：2017⁃11⁃07
修回日期：2018⁃01⁃05
基金项目：湖北省自然科学基金（2014BEC073）
Project Supported by Natural Science Foundation of Hubei
Province（2014BEC073）
图 1 系统架构图 Fig. 1 Architecture of system
杨勇奇 1，王典洪 1，徐朝玉 1，倪效勇 1，罗林波 2
（1. 中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074；2. 武汉地质资源环境工业技术研究院有限公司，湖北 武汉 430074）
摘 要：设计一种以 Sony 面阵 CCD 器件 ICX618 为传感器的实时图像采集系统。该系统采用 FPGA 作为控制核心，由
第 16 期
杨勇奇，等：基于 FPGA 和 USB 的面阵 CCD 图像采集系统设计
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系统上电后，首先完成 FPGA 内各模块参数的初始 化 。 当 FPGA 接 收 到 采 集 命 令 后 ，输 出 CCD 的 驱 动 时 序，CCD 在驱动时序的控制下输出光电转换后的模拟电 压。其经射极跟随器后对 AD9945 芯片进行相关双采 样和 A/D 转换，转换结果经 FPGA 缓存和处理后传输至 USB 芯片内置的 FIFO 中。当 FIFO 达到给定深度时自 动向计算机发送存储的数据，上位机对接收的数据进行 存储、处理，最终实现图像的实时显示。 1.1 FPGA 驱动及控制模块
系统控制核心，以 CCD 为图像传感器，经 AD9945 实现 高速 A/D 转换，通过 USB 接口连接 FPGA 和计算机完成 数据和命令的传输，最后在上位机程序中实时显示采集 的图像数据。
1 系统硬件设计
系统架构如图 1 所示，该系统硬件架构图由 CCD 图 像传感器、FPGA、信号处理电路和 USB 接口组成。