基于USB的高清彩色CCD圖像采集系統

黃以華，黃劍峰

（中山大學信息科學與技術學院 電子與通信工程系，廣東 廣州 510006）

隨著時代的進步，科技的發展，數字圖像的采集與處理在科技研究，工農業生產、醫療衛生、航空航天，軍事對抗等領域得到了越來越廣泛的應用。所以，對圖像采集系統的研究具有重要的現實意義和應用價值。筆者提出了一種基于USB的彩色CCD高清圖像采集系統。CCD中文名稱為電荷耦合器件，它是20世紀70年代迅速發展起來的一種新型半導體探測器件，可把自然圖像轉換為電信號，具有動態范圍大、電荷轉移效率高、低噪聲輸出、分辨率高、工作頻率高等優點[1]。USB即Universal Serial Bus，是通用串行總線的簡稱，這是由七家主要的計算機與電子科技大廠于1994年所研發和制定的一種串行總線協議[2]。本采集系統具有以下特點：數據傳輸采用USB2.0高速傳輸接口；整個系統由USB接口供電，無需外加額外的電源；系統可實現140萬的高清圖像采集；圖像采集的速度最高達7.5 frame/s。

1 系統硬件設計

1.1 系統硬件架構

本系統的硬件架構如圖1所示。整個系統由電源系統、光學系統、圖像傳感器，A/D轉換器、CPLD控制器、USB2.0高速接口、上位機PC以及控制程序等各個部分組成。電源模塊負責給整個系統供電，電源模塊的輸入是USB總線提供的5 V電源，進行DC-DC轉換產生兩路CCD驅動所需要的電源：15 V、-8 V。其他模塊的供電采用統一的3.3 V。圖像傳感器采用的是SONY公司的 CCD ICX205AK，它是一款1/2英寸、145萬有效像素的CCD傳感器，每秒能夠輸出145萬有效像素的圖像7.5幀[3]。A/D轉換器負責將CCD輸出的模擬信號轉變成為數字信號，采用的是ADI公司的AD9824，它是一款完善的CCD信號處理器[4]。CPLD控制器產生CCD和AD工作所需要的時序，同時須實時接收USB總線發送過來的控制信息，并根據接收到的參數實現圖像的曝光時間和白平衡等調整。USB2.0高速接口是整個系統數據通信的“交通要道”，對系統中高速圖像信號采集，上位機與硬件電路之間通信等方面起著至關重要的作用。本系統采用Cypress公司的USB2.0控制器 CY7C68013A，CY7C68013A芯片內部包含USB2.0收發器、串行接口引擎 （SIE）、增強型8051內核、16KB RAM、4KB FIFO存儲器、I/O接口、數據總線、地址總線和通用可編程接口，硬件資源非常豐富[5]。根據系統的要求，并考慮到系統的成本，本系統采用Altera公司的MAX 3000A系列產品中封裝為TQFP 100的EPM3128ATC100-10N芯片作為系統的控制中心。該芯片有2500個系統門，128個宏單元，最大支持80個用戶I/O，且功耗低[6]。

圖1 系統架構Fig.1 System structure diagram

1.2 CCD驅動電路設計

圖2為CCD驅動電路[3]。由于ICX205AK垂直移位寄存器不能直接使用TTL電平驅動，所以需要引入CCD驅動電路部分，對CPLD生成的各種轉移脈沖信號進行功率放大，以滿足CCD對驅動波形電壓及電流以及時序的要求。驅動信號的好壞會對CCD的電荷轉移效率產生較大的影響，從而影響成像的質量[7]。本設計采用的是與ICX205AK相配套的垂直時鐘驅動芯片CXDl267AN，將原本為TTL電平的 V1，V2A，V2B，V3和SUB信號轉變為合適的電平。其中V1，V3要求為-8 V/0 V兩個等級，V2A，V2B要求為-8 V/0 V/+15 V 3個等級，SUB為-8 V/+15 V兩個等級。引入XSG1，XSG2兩個時序信號，用于控制CXD1267AN生成垂直移位時鐘信號V2AV2B，實現感光陣列中的電荷信號轉移到移位寄存器。H1，H2水平寄存器轉移時鐘，用于控制水平移位寄存器的電荷信號的順序移出，其頻率直接決定CCD信號輸出的頻率。

圖2 CCD驅動電路Fig.2 Driver circuit of CCD

1.3 高速USB2.0接口設計

圖3為高清圖像采集系統的核心傳輸鏈路，USB2.0高速接口。因為圖像采集系統要求將數據高速而準確地傳入PC端，故本系統采用Slave FIFO模式，圖像不經FX2LP的CPU處理，直接通過從屬端點FIFO將數據高速傳入PC端。

圖3 高速USB2.0接口電路Fig.3 Interface circuit of USB

圖3中，IFCLK為Slave FIFO的接口時鐘。Slave FIFO接口時鐘信號既可由內部提供，也可由外部提供。如果FX2LP設置為使用外部時鐘源，則IFCLK引腳可被用來提供5～48 MHz之間的任何頻率的時鐘信號。當IFCLK被設置為輸入時，最小頻率為 5 MHz。 FIFOADR[1：0]引腳用來選擇 EP2、EP4、EP6和EP8中的一個FIFO與數據總線FD連接。FULL和EMPTY引腳分別是FIFO的滿狀態和空狀態標志，通過配置CY7C68013A內部的相關寄存器可使得當FIFO滿狀態或者空狀態的時候向外部控制器發送相應的標志。SLWR引腳是寫FIFO控制信號，當SLWR被激活時，數據總線FD上的數據在每個時鐘信號IFCLK上升沿到來時被寫入FIFO。

INT1和PAUSE信號是為了協調高清圖像數據正常發送而引入的額外信號。系統中CCD圖像傳感器輸出的模擬信號經AD9824采樣后輸出14 bit數字信號，但數據中不包含圖像幀頭信息。為使主機應用程序能夠準確和完整地分離出圖像數據，本系統設計方法是在EZ-USB FX2LP的INT1中斷服務程序中為每一幀圖像加入特定的幀頭[8]。在EZ-USB在往FIFO里面寫入幀頭的過程中，不允許CPLD繼續讓AD向FIFO傳送數據，從而引入了PAUSE信號通知CPLD暫停傳送數據的操作。

本系統采用的模擬轉換器AD9824是一款14bits的高效CCD信號處理器，而FD[15：0]是16位的數據總線，在設計過程中，我們將高位數據線接地，低14位數據線接AD9824數據并行輸出數據。

2 系統軟件實現

2.1 AD相關雙采樣

相關雙采樣（CDS）通過對每一個CCD像素點輸出信號采樣兩次來消除低頻噪聲的影響，它是根據CCD輸出信號和噪聲信號的特點而設計。圖4為相關雙采樣時序圖，圖中詳細的指出了相關采樣的時序要求。CCD每個像元的輸出周期都以復位脈沖信號開始T1，先清除前一個像素的電荷，以等待下一像素電荷的到來。此時的輸出信號被嵌入復位電平，并產生復位噪聲；在圖中T2期間，由于復位MOSFET漏電流的影響，復位電平有微小下降，這種現象稱為復位失調電壓。此時的輸出信號為復位電平與復位噪聲、復位失調電壓的疊加；在T3期間，CCD電荷進行水平轉移，此時混入移位時鐘干擾；T4期間的輸出為復位噪聲、復位失調電壓和有用光敏輸出信號的疊加[1]。所以相關雙采樣的原理就是在T2和T4時刻對同一像素點的輸出信號進行采樣，然后將兩次采樣值相減就基本消除了復位噪聲的干擾，得到信號電平的實際有效幅值。本系統選用的模數轉換器AD9824內部具有相關雙采樣電路，系統實現過程中就是EPM3128產生如圖4所示的SHP、SHP、DATACLK采樣信號，即可完成相關雙采樣邏輯，很大程度降低了圖像數據中包含的噪聲信號。

圖4 相關雙采樣時序圖Fig.4 Double sample timing

2.2 USB固件程序設計

在USB接口設計中，USB固件編程是整個設計任務的核心。USB固件程序用于完成USB設備的識別、重列舉、設備請求、USB協議處理、外部硬件的功能、負責與USB主機之間的數據通信等。固件的設計就是使在USB總線上的傳輸能獲得最大的有效的數據傳輸速度。

設備上電之后，就會按照如下的步驟執行固件：

1）初始化架構全局變量；

2）調用 TD_Init（）初始化 FX2LP芯片，調用用戶自定義的初始化函數，返回后USB設置為未配置狀態，并打開中斷；

3）在緊接著的1秒內，重新枚舉USB設備，直到收到SETUP封包；

4）檢查設備請求，有請求則執行相應的功能，有的需要跳轉到相應函數；

5）檢查總線掛起事件，沒有掛起事件則執行9）；

6）調用 TD_Suspend（），返回失敗代碼則執行 9）；

7）掛起處理器；

8）檢查重新開始事件，事件發生則調用TD_Resume（），否則執行7）；

9）調用 TD_Poll，函數返回到 4）并執行。

固件框架流程如圖5所示。

圖5 固件程序流程圖Fig.5 Flow chart of firmware program

由于AD9824傳送過來的每一幀圖像都是連續的，也就是不包含幀頭信息。本系統采取的做法是在一幀數據到來的時候，CPLD控制器會給CY7C68013A一個中斷信號。中斷服務程序所要做的工作就是清空FIFO里面的數據，并往FIFO里面寫入512個字節的幀頭（0xFF）數據。這樣做的目的是保證上位機能夠正確的識別每一幀數據。中斷服務程序流程圖如圖6所示。

圖6 中斷程序工作流程Fig.6 Flow chart of interrupt program

2.3 上位機程序設計

本系統的上層應用程序使用VC++6.0軟件進行編程，采用多線程、雙緩沖區等技術實現動態圖像的實時顯示。

在圖像采集系統中，主要有3個功能模塊：圖像數據采集模塊、圖像數據處理模塊、圖像顯示模塊。如果采用單線程方法，則工作過程為：先進行數據采集，采集完成后對數據進行處理，最后將處理后的數據進行顯示。由于這3個功能模塊不能同時進行，會造成了CPU的利用率低，限制傳輸幀速率的提高，導致系統的整體效率大大降低。

為了提高運行效率，本應用程序設計時采用多線程并行處理的方法，將數據采集、數據處理與圖像顯示分別放在3個線程里進行。從圖7中可以很明顯看出單線程與多線程的區別。

圖7 單線程與多線程系統結構Fig.7 Single-threaded and multi-threaded architecture

在圖像數據采集模塊中，一種數據采集方法是串行處理[9]，如圖 8 所示。

圖8 串行數據采集方法Fig.8 Serial data acquisition methods

這種結構易于實現，但存在著明顯的不足：效率低下，不適合實時性要求高的場合。

為了進一步提高圖像采集的實時性，在應用程序開發時設計了雙緩沖區交替采集處理[10]的工作方式，如圖9。周期T時應用程序采集數據到緩沖區1，同時處理緩沖區2中的數據；周期T+1時應用程序采集數據到緩沖區2，同時處理緩沖區1中的數據。如此反復交替，可以顯著提高數據采集效率。

圖9 雙緩沖交替采集方法Fig.9 Double buffering alternate acquisition method

系統測試結果表明，與普通的但緩沖區單線程結構相比，這種雙緩沖區多線程結構可以顯著提高圖像傳輸的幀速率。

3 系統測試

通過USB2.0電纜將設備連接到裝有Windows XP系統PC機上面，PC機上面運行采集軟件進行圖像采集。如果圖像模糊不清，可以通過調節設備的鏡頭焦距，使得圖像能夠正確對焦。圖10是整機調試的環境。圖中采集到的圖像數據為CCD的原始并未做處理的有效數據。圖像的分辨率為1 360×1 024約等于140萬像素。最快可以實現7.5 frams/s的采集速率。

圖10 整機調試圖Fig.10 Overall debugging Figure

4 結 論

本文設計了一個基于USB的彩色CCD圖像采集系統，系統采用USB總線供電且能穩定工作，采集到140萬的高清彩色圖像，并最快能實現7.5 frame/s的動態圖像采集。文章從硬件方面詳細的敘述了整個系統的架構設計，CCD驅動電路的設計以及高速USB2.0接口的設計方案。軟件方面闡述了AD相關雙采樣，USB固件程序的設計框架以及上位機多線程、雙緩沖的設計思路?？傊?，本系統的設計方法對基于USB的圖像采集系統的軟硬件設計都具有重要的參考價值。

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