一种孔探仪ccd成像系统设计-光学与光电技术版151119

一种孔探仪CCD成像系统设计温凯1贺芳2姜滨1（1华中光电技术研究所-武汉光电国家实验室，湖北武汉430223；2中国兵器工业新技术推广研究所，北京100089）摘要：孔探检测是无损检测的一种重要手段，为实现孔探检测设备国产化，设计了一种基于FPGA的孔探仪CCD成像系统。从硬件方面介绍了CCD成像系统的驱动、采集和电源部分设计方案；从软件方面对CCD驱动时序、AD采样时序进行阐述，并介绍了CCFA到YCbCr格式的转换；实验中，本系统采集到清晰的彩色图像。实验测试表明本系统有效可行。关键字：孔探仪、电荷耦合器件、驱动电路、可编程逻辑门阵列、时序ACCDImagingSystemDesignofEndoscopyWENKai1HEFang2JIANGBin1(1HuazhongInstituteofElectro-Optics-WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics,Wuhan,430223,China;2ChinaNorthAdvancedTechnologyGeneralization,Beijing,100089,China)Abstract:EndoscopydetectionisasignificantwayofNon-destructivetest.TorealizethedomesticationofEndoscopydetectiondevice,aCCDimagingsystemforendoscopybasedonFPGAisproposed.Fromtheviewofhardware,thedesignofdriver,acquisitionandpowersupplyhavebeenintroduced;fromtheviewofsoftware,thetimingsequenceofCCDdriverandA/Dacquisitionarepresented.Besides,awayoftheconversionfromCCFAtoYCbCrisincluded.Throughexperiments,thesystemisabletocaptureclearlycolorfulimages.ItisprovedthattheCCDimagingsystemisfeasibleandeffective.KeyWords:Endoscopy,CCD,Drivercircuit,FPGA,Timingsequence一、引言无损检测以其现场性、实用性、快速性的特点[1]，在工程中广泛使用。孔探仪（电子内窥镜[2]）是无损检测的一个分支，它采用特殊传光、传像原理设计，可以方便地观看到档板后、管道内、发动机内部或者其他无法直接看到的部位,免去了昂贵的毁坏或拆卸工作，极大地节约了成本，提高了工作效率，并在现代工业的各个领域获得了广泛应用。目前国外孔探仪水平较高的产品主要有两家：日本奥林巴斯的IPLEXFX系列和美国韦林公司的XLG3A系列。国外产品价格昂贵，供货周期长，国内的产品则厂家不多，且整体水平参差不齐。根据需求，要对孔探仪采到的图像进行存储、分析，需先采到清晰的图像。本文设计了一种基于FPGA的孔探仪CCD驱动和采集系统。从硬件和软件设计两个方面介绍了系统设计，并简单介绍了CCFA视频到YCbCr格式转换方法。通过实验,验证了本系统设计可靠有效，同时本系统对同类CCD成像和二次开发有一定推广价值。二、硬件方案CCD驱动脉冲的产生方法有多种，主要有专用芯片驱动法、单片机驱动法和可编程逻辑器件驱动法等[3]。专用集成芯片通用性差；单片机时序产生主要依靠指令延时来实现，而单片机时钟频率较低，精度不高；用可编程逻辑器件驱动，电路通用性好，器件延迟时间短，方便功能升级和扩展，可提高同类型产品的开发效率。本文设计的孔探仪CCD的采集和驱动系统组成如图1所示。通过FPGA，可生成孔探仪CCD驱动时序；驱动CCD工作后，可得到CCD视频的模拟信号；将CCD视频模拟信号经AD采样后转化成数字信号，再经ITU656格式编码后，转成PAL信号，供后端分析和故障诊断。FPGA驱动电路CCDA/D转换D/A转换后端采集驱动时序驱动信号模拟信号数字信号PAL视频数字信号图1.CCD成像系统框图Fig1.CCDImagingflowchart2.1驱动部分CCD选用SONY公司的ICX239AKE。ICX239AKE是一款1/6英寸行间转移型（Interline）的PAL制式彩色CCD传感器。CCD表面有黄（Yellow）、青（Cyan）、洋红（Magenta）、绿（Green）互补色滤镜（ComplementaryColormosaicFilterArray-CCFA[4]）。ICX239AKE灵敏度高、具有极低暗电流和速度可调的电子快门。总像素数为795（列）*596（行），有效像素为752（列）*582（行）[5]，其寄存器和管脚特征如图2示。图2.ICX239AKE结构框图Fig2.ICX239AKEBlockDiagram驱动该CCD传感器工作，需要八路驱动时钟，分别为四路垂直转移时钟V1~V4，控制垂直移位寄存器中的电荷信号向水平移位寄存器移动；两路行转移时钟H1，H2，控制CCD内电荷信号一行一行地转移出去；用于将像元内电荷量清空的复位门时钟RG和用于控制曝光量的电子快门SUB信号。FPGA引脚输出电平为3.3V，而CCD垂直驱动信号和SUB信号分别需要-7.5V、0V和22.5V，因此，需要场驱动芯片CXD1267，将原本为TTL电平转换为V1~V4和SUB信号所需上述三个等级的信号。同时，需要给CXD1267引进另外两个时序控制信号XSG1，XSG2，用来控制V1~V4形成垂直读出信号，实现感光阵列中的电荷读出到垂直移位寄存器。CCD行转移时钟的电平为+3.3V，由于CCD是电容性器件，为加快CCD充放电速度，需要增加H1，H2驱动电流，故选用74ACT245。74ACT245是一种八路三态收发器。通过74ACT245将FPGA的IO驱动电流增大后，连接至CCD的H1，H2。2.2采集部分CCD图像传感器的输出信号是空间采样的离散模拟信号，其中夹杂着各种噪声[6]。AD9824是一款CCD专用信号处理器，它可对CCD进行最多30MHz的模/数转换，它的信号链包括输入钳位、相关双采样、可编程增益放大器、黑电平钳位和14位的A/D转换[7]。A/D转换成数字信号后，需要将数字信号转换为模拟量。ADV7179是一款高性能10位DAC转换器，支持ITU-R.BT601和BT656格式数据转换为PAL/NTSC，工作频率为27MHz[8]。产生驱动时序的FPGA，选用的是Altera公司的EP2S30F484。它具有342个可用IO和1369728bit的RAM总量[9]，足够产生CCD驱动时序，并为图像处理提供了裕量。2.3电源设计电源部分是保障CCD和FPGA驱动和采集正常工作的基础。CCD的工作电压VDD是+15V，CXD1267AN还需要-7.5V供电。由于CCD要求供电稳定、电源纹波和噪声小，所以需先将系统+5V供电经过两个开关电源转化为+15.5V和-8V后，再经两个线性LDO后，得到稳定的+15V和-7.5V给CCD供电；FPGA采集部分需要的+3.3V和+1.2V各由两片LDO电源转换得来。为减少电路的干扰，将模拟部分与数字部分的供电用三端滤波器隔开。三、软件设计3.1CCD驱动时序由CCD场驱动时序图3知一整帧图像有625行，一整帧是40ms，则一场是20ms，每行周期就是64us。由ITU-RBT.656格式[10]知，每行有864个像素点，720个有效像素，行驱动图3场同步驱动时序图Fig3.Vertical-SyncDriveTimingChart频率为13.5MHz。当行驱动频率为13.5MHz时，一个行转移时钟的周期为T=1/f=1/13.5MHz=74.1ns,则高电平时间和低电平时间为37.05ns。由图4和图7中twh和twl参数可知，H1,H2的占空比为1/2，37.05ns大于H1和H2时钟高低电平最小值26ns（表1）的要求。所以本系统用13.5MHz作为CCD的行转移时钟频率。图4行驱动时序图Fig4.HorizontalDriverTimingChart图5复位时钟波形Fig.5Resetgateclockwaveform由图5和CCD工作原理可知，RG信号和行转移信号H1,H2频率相同，则RG时钟频率为13.5MHz。由图5和图7中twh、twl推荐值，可知RG信号占空小于1/2，本方案中取RG的占空比为1/4。为方便FPGA产生RG和行驱动时钟H1，H2信号，用13.5MHz的4倍频54MHz作为产生RG和H1，H2的工作时钟。图6行同步驱动时序图Fig6.Horizontal-SyncDriveTimingChart图7.时钟切换特性Fig7.ClockSwitchingCharacteristics由图6中每行的第1点作为一行的起始，可对每行计数，313行和325行分别是奇场和偶场的开始。每行由图6中V1~V4相对H1，H2中每个像素点的位置可得到V1~V4的起点，再从图8中数据，可得到垂直转移时钟的各个时间，从而可写出奇场、偶场和每行的垂直转移时钟V1~V4的发生时序。图8场读出时序图Fig8.FieldReadoutClockTimingChart3.2A/D转换模块虽然ICX239AKE是PAL制式的CCD，CCD输出的原始电平却只有几百mV，含有很多噪声且驱动电流很小，不能直接用于后端采集分析，需要将其采样、去噪、编码后才能供后端采集分析。AD9824采用相关双采样技术对CCD输出模拟信号进行A/D转换。如图9所示，在SHP信号上升延，对CCD信号第1次采样，采样信号为复位电压、复位失调电压和复位噪声；在SHD信号上升延，对CCD的输出信号进行第2次采样，采样信号除包括复位电压、复位失调电压和复位噪声外，还包括有用的视频信号。通过差动放大电路后输出的2次采样的信号，正好把复位噪声去除掉，得到有效的CCD信号。由于ICX239AKE像素输出时间频率为13.5MHz，所以，选用13.5MHz作为AD9824的DATACLK时钟。图9AD9824转换时序Fig9.AD9824transformtimingsequence3.3CCFA视频转换CCD表面覆盖了一层黄（Yellow）、青（Cyan）、洋红（Magenta）、绿（Green）互补色滤镜（ComplementaryColormosaicFilterArray-CCFA），如图10所示。为得到最终的PAL信号，需要把Ye，Cy，Mg，G转换为Y，Cb，Cr[5]。根据文献[5]，通过式（1）~（3）可求得每行图像的亮度Y和色度Cb、Cr。将得到的Y、Cb、Cr信号按照ITU-RBT.656格式编码，通过ADV7179，就可得到PAL视频。图10CCD颜色编码Fig10.CCDColorCodingDiagram（1）（2）（3）四、实验在FPGA中，对各驱动时钟信号的仿真波形截图如图11所示。图11显示的是第12行到第13行的波形，各波形满足CCD驱动时序要求。图11驱动时钟仿真波形Fig11.Thesimulationwaveofdrivingclock在实验室对CCD的各个驱动时钟用示波器采样，截图如下。图12中，从上到下分别为采到的V1~V4驱动时钟的波形，图13中从上到下依次为行转移时钟波形H1,H2和RG信号。从图12和13中可知，各驱动时钟的时延和幅值都满足CCD要求。图12驱动信号示波器截图Fig12.DriverSignalOndoscopeScreenshot图13.H1，H2，RG信号Fig13.H1,H2,RGsignal图14为CCD采集到的原始信号输出，三阶梯趋势明显，复位部分明显有噪声干扰。相关双采样非常必要。图15为孔探仪在实