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摘要：針對設(shè)計微型光譜儀時常會根據(jù)需要更換CCD，PDA的現(xiàn)狀，采用Cypress公司的AD21310和Cyclone系列FPGA設(shè)計適用于多種線陣CCD和小型面陣CCD的通用采集系統(tǒng)，設(shè)計16口入8口出異步FIFO。提供192 Kb高速緩存空間。USB器件采用快速讀入方式，極大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度。系統(tǒng)實現(xiàn)了多種線陣CCD采集，同時也實現(xiàn)了相關(guān)雙采樣技術(shù)，具有快速、便捷、模塊化的特點。
關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；CCD；FIFO；USB
1 引言
隨著微型光譜儀快速發(fā)展，CCD和PDA廣泛使用，CCD和PDA的種類型號越來越多，每種型號都需要專門的驅(qū)動采集板，使得開發(fā)產(chǎn)品周期長、費用大。這里提出一種基于FPGA和USB的通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)在不改變硬件的情況下可以采集多種CCD，并上傳至PC機，使用軟件處理采集到的數(shù)據(jù)。
2 通用CCD采集系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)部署圖如圖1所示。系統(tǒng)硬件分為接口板、通用驅(qū)動采集板、計算機。接口板匹配驅(qū)動信號，將CCD輸出視頻信號通過前置處理后鏈接到CCD通用采集板。在CCD通用采集板中，A/D轉(zhuǎn)換器對視頻信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，按幀暫存在FPGA內(nèi)的FIFO中，通過USB快速塊傳輸模式上傳到計算機中．最后計算機軟件MEMSpector處理并顯示采集到的譜線。
通用性是由通用CCD驅(qū)動模塊和16In8Out異步FIFO實現(xiàn)的。根據(jù)不同類型的CCD編制不同的CCD驅(qū)動模塊，采用16In8Out異步FIFO，F(xiàn)IFO根據(jù)CCD驅(qū)動模塊提供的FS幀同步來確定暫存A／D轉(zhuǎn)換一幀像元數(shù)，實現(xiàn)了采集A／D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)與USB傳輸?shù)姆蛛x，在修改或升級CCD驅(qū)動時，無需修改采集和數(shù)據(jù)輸出代碼，實現(xiàn)了通用性。
2．1 CCD接口板
由于大多數(shù)CCD管腳不兼容，視頻輸出電壓也不同。CCD接口板提供CCD插座和轉(zhuǎn)接CCD驅(qū)動信號以及輸出信號電壓匹配。CCD接口板是各種類型CCD鏈接到通用CCD采集板的紐帶。
2．2 通用驅(qū)動采集板
通用驅(qū)動采集板由A／D轉(zhuǎn)換、FPGA(通用CCD驅(qū)動器模塊和16In8Out異步FIFO模塊)、USB 3部分組成。A／D轉(zhuǎn)換部分完成系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換；FPGA部分完成系統(tǒng)的CCD驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、CDS實現(xiàn)；USB部分完成數(shù)據(jù)的傳輸。
2．2．1 A／D轉(zhuǎn)換部分
系統(tǒng)需采集多種CCD并實現(xiàn)CDS，而且系統(tǒng)主要由USB供電，這就要求A／D轉(zhuǎn)換速度快，供電電壓低，最好參考電壓內(nèi)置。AD9235-40屬于12位、40 MS／s模數(shù)轉(zhuǎn)換器系列，采用3 V單電源供電，該系列均內(nèi)置一個高性能采樣保持放大器(SHA)和基準電壓源。AD923540采用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯邏輯，在40 MSP／S數(shù)據(jù)速率時可提供12位精度，并保證在整個工作溫度范圍內(nèi)無失碼。
FPGA中采集信號發(fā)生器提供A／D采集時鐘，同時也控制FIFO和CCD驅(qū)動器。A／D采樣速率不再受數(shù)據(jù)傳輸和采集制約，采樣速率完全和CCD速度匹配。并可實現(xiàn)1幀內(nèi)1個像元的雙采樣，從而實現(xiàn)CDS。
2．2．2 FPGA部分的通用CCD驅(qū)動器模塊
由于不同生產(chǎn)商的CCD器件的驅(qū)動時序往往差別很大，因此需針對每種CCD器件編制其CCD驅(qū)動器模塊。驅(qū)動時鐘和采集脈沖由分頻器和采集信號發(fā)生器提供，如圖2所示。
CCD驅(qū)動器輸入信號由兩路驅(qū)動時鐘和積分時間控制信號INT組成；輸出信號由幀同步信號FS和CCD Driver信號組成。不同的CCD驅(qū)動器模塊僅CCD Driver信號有所不同，其他接口一樣。在改變CCD時只需替換CCD驅(qū)動器模塊即可。
2．2. 3 FPGA部分的16In8Out異步FIFO
FIFO用于暫存A／D轉(zhuǎn)換的信號。待存滿1幀并且USB塊傳輸空閑后，將FIFO中的1幀數(shù)據(jù)通過快速塊傳輸上傳至計算機。1幀的像元個數(shù)由CCD驅(qū)動模塊提供的FS信號決定。FIFO內(nèi)的存儲空間為192 Kb。滿足線陣CCD和小型面陣CCD的數(shù)據(jù)存儲需求。圖3為16In8Out異步FIFO的內(nèi)部原理圖。
