通用线阵CCD采集系统设计

摘要：针对设计微型光谱仪时常会根据需要更换CCD，PDA的现状，采用Cypress公司的AD21310和Cyclone系列FPGA设计适用于多种线阵CCD和小型面阵CCD的通用采集系统，设计16口入8口出异步FIFO。提供192 Kb高速缓存空间。USB器件采用快速读入方式，极大提高了数据传输速度。系统实现了多种线阵CCD采集，同时也实现了相关双采样技术，具有快速、便捷、模块化的特点。
关键词：数据采集；CCD；FIFO；USB

1 引言
　　随着微型光谱仪快速发展，CCD和PDA广泛使用，CCD和PDA的种类型号越来越多，每种型号都需要专门的驱动采集板，使得开发产品周期长、费用大。这里提出一种基于FPGA和USB的通用CCD采集系统设计方案。该系统在不改变硬件的情况下可以采集多种CCD，并上传至PC机，使用软件处理采集到的数据。

2 通用CCD采集系统设计
　　系统部署图如图1所示。系统硬件分为接口板、通用驱动采集板、计算机。接口板匹配驱动信号，将CCD输出视频信号通过前置处理后链接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D转换器对视频信号进行模数转换后，按帧暂存在FPGA内的FIFO中，通过USB快速块传输模式上传到计算机中．最后计算机软件MEMSpector处理并显示采集到的谱线。



　　

　　通用性是由通用CCD驱动模块和16In8Out异步FIFO实现的。根据不同类型的CCD编制不同的CCD驱动模块，采用16In8Out异步FIFO，FIFO根据CCD驱动模块提供的FS帧同步来确定暂存A／D转换一帧像元数，实现了采集A／D转换数据与USB传输的分离，在修改或升级CCD驱动时，无需修改采集和数据输出代码，实现了通用性。
2．1 CCD接口板
　　由于大多数CCD管脚不兼容，视频输出电压也不同。CCD接口板提供CCD插座和转接CCD驱动信号以及输出信号电压匹配。CCD接口板是各种类型CCD链接到通用CCD采集板的纽带。
2．2 通用驱动采集板
　　通用驱动采集板由A／D转换、FPGA(通用CCD驱动器模块和16In8Out异步FIFO模块)、USB 3部分组成。A／D转换部分完成系统的A/D转换；FPGA部分完成系统的CCD驱动、数据采集、CDS实现；USB部分完成数据的传输。
2．2．1 A／D转换部分
　　系统需采集多种CCD并实现CDS，而且系统主要由USB供电，这就要求A／D转换速度快，供电电压低，最好参考电压内置。AD9235-40属于12位、40 MS／s模数转换器系列，采用3 V单电源供电，该系列均内置一个高性能采样保持放大器(SHA)和基准电压源。AD923540采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在40 MSP／S数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。
　　FPGA中采集信号发生器提供A／D采集时钟，同时也控制FIFO和CCD驱动器。A／D采样速率不再受数据传输和采集制约，采样速率完全和CCD速度匹配。并可实现1帧内1个像元的双采样，从而实现CDS。
2．2．2 FPGA部分的通用CCD驱动器模块
　　由于不同生产商的CCD器件的驱动时序往往差别很大，因此需针对每种CCD器件编制其CCD驱动器模块。驱动时钟和采集脉冲由分频器和采集信号发生器提供，如图2所示。



　　CCD驱动器输入信号由两路驱动时钟和积分时间控制信号INT组成；输出信号由帧同步信号FS和CCD Driver信号组成。不同的CCD驱动器模块仅CCD Driver信号有所不同，其他接口一样。在改变CCD时只需替换CCD驱动器模块即可。
2．2. 3 FPGA部分的16In8Out异步FIFO
　　FIFO用于暂存A／D转换的信号。待存满1帧并且USB块传输空闲后，将FIFO中的1帧数据通过快速块传输上传至计算机。1帧的像元个数由CCD驱动模块提供的FS信号决定。FIFO内的存储空间为192 Kb。满足线阵CCD和小型面阵CCD的数据存储需求。图3为16In8Out异步FIFO的内部原理图。



　　图3中，FS是帧同步，在FIFO中重置暂存指针，DataIN是暂存数据采集完毕信号，DataRdy是判断USB是否空闲信号，ADclk是FIFO的写信号，16BitIN是FIFO的读16位入口，读取A／D信号，这里兼容16位，本设计只用12位，其他4位空闲。8BitOUT是FIFO的8位输出口，RD是FIFO的读出时钟信号。在FIFO中读入的16位信号分高低位分别存储在2个8 bit存储器中，在输出时，按先高后低的顺序输出，从而完成16In8Out的转换，部分实现代码如下：


　　

　　在信号FS的控制下，FIFO不断地对整帧信号进行刷新，当USB传输信号到来时，刷新当前帧完毕后，开始USB快速读入操作。
2．2．4 USB部分
　　USB采用Cypress公司的AD2131Q，其核提供一种快速传输模式．改进8051的外部逻辑与同步／块端点缓冲器之间的传输速度。将FASTXFR寄存器设置为01010000B，读写选通时序模式为10，提供更宽的脉冲宽度，便于读取FPGA的异步FIFO信号。FIFO存储满1帧数据，由USB器件使用快速块传输上传到计算机，约6 ms完成。表1为块传输传一个像元数据所用汇编程序对比。



2．3 软件设计
　　软件设计主要包括3方面工作：USB驱动程序设计、动态链接库设计以及应用处理软件设计。
2．3．1 USB驱动程序设计
　　EZ-USB提供的FPD(通用设备驱动程序)是一个通用的设备驱动程序。利用Microsoft WDM DDK和Visiual C++5．0以上版本就可以修改和编译驱动程序，生成文件ezusb.sys。具体操作如下：①修改驱动程序的PID。在工程里EzUsbDevice.cpp文件中修改PID.VID延用0x0547不变，PID自行设定。②利用hex2c.exe将USB固件Intel HEX记录格式的代码文件转换为C文件，打开该C文件，用其中的firmware[]数组代替在工程里zUsbFirmware.cpp文件中提供的数组。③编译生成ezusb.sys文件并编写相应的INF文件。
2．3．2 动态链接库设计
　　动态链接库主要是通过I／O控制调用来访问EZ-USBGPD。通过调用CreateFile()来取得访问设备驱动程序的句柄，然后使用DeviceIoControl()提交不同I／O控制码，从而完成USB的控制和输入／输出操作。
2．3．3 应用处理软件设计
　　应用软件通过访问动态链接库(DLL)获取采集谱线数据，其主要功能有显示、设置积分时间、定格谱线、保存、捕捉、局部放大、添加谱线。

3 测试结果
　　采用通用CCD采集系统分别对3款CCD进行驱动和采集。这3种CCD的参数如表2所示。使用应用软件EMSpectro采集上述CCD谱线，采集效果如图4所示。



4 结束语
　　采用该系统对3种不同型号CCD成功驱动并采集，测试结果达到了预期的效果。系统体积小、功耗低、兼容性好、可扩展性高。该系统已成功应用于实验室开发CCD相关项目中。