用于天文觀測(cè)的CCD相機(jī)系統(tǒng)的研究

關(guān)鍵詞：CCD CPLD 相關(guān)雙采樣 控制系統(tǒng) 串口通信

引言

CCD通常分為3個(gè)等級(jí)；商業(yè)級(jí)、工程級(jí)和科學(xué)級(jí)。3個(gè)級(jí)別的要求一級(jí)比一級(jí)高。衡量CCD的性能主要從以下幾個(gè)方面：量子效率和響應(yīng)度、噪聲等效功率和探測(cè)度，即動(dòng)態(tài)范圍和電荷轉(zhuǎn)移效率等。科學(xué)級(jí)CCD以其高光子轉(zhuǎn)換效率、寬頻譜響應(yīng)、良好線性度和寬動(dòng)態(tài)范圍廣泛用于天文觀測(cè)，已成為望遠(yuǎn)鏡測(cè)必不可少的后端設(shè)備。國內(nèi)各天文臺(tái)望遠(yuǎn)鏡終端都是從外圍引起的成套設(shè)備，使用和維護(hù)很不方便，并且價(jià)格昂貴，因此國內(nèi)迫切需要發(fā)展自己的CCD技術(shù)。紫金山天文臺(tái)紅外實(shí)驗(yàn)室對(duì)這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調(diào)研，認(rèn)真選取，從芯片開始一直到系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，搭建了自己的CDD相機(jī)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

CCD芯片決定相機(jī)系統(tǒng)的性能，為此我們廣泛調(diào)研，最后選定柯達(dá)公司的KAF-0401LE芯片。它動(dòng)態(tài)范圍大（70dB），電荷轉(zhuǎn)移效率高（0.999 99），波長響應(yīng)范圍寬（0.4μm～1.0μm），低暗電流（在25℃條件下，7pA/cm2），量子效率為35%，并且具有抗飽和性，能夠滿足科學(xué)觀測(cè)的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測(cè)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)噪聲的問題。我們的設(shè)計(jì)如下：采用柯達(dá)公司的KAF-0401LE芯片作為探測(cè)器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機(jī)控制器，復(fù)雜可編程邏輯作（CPLD）作時(shí)序發(fā)生和地址譯碼，采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉(zhuǎn)換順AD1674進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，擴(kuò)展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過RS232與計(jì)算機(jī)串口通信，接受計(jì)算機(jī)的控制。整個(gè)系統(tǒng)由圖1所示幾個(gè)功能部件組成。

1.1 時(shí)序信號(hào)發(fā)生電路

KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平；行轉(zhuǎn)移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開始φV1的第2個(gè)脈沖下降沿后，要有1個(gè)行轉(zhuǎn)移建立時(shí)間tφHs，讀完行后需延遲1個(gè)像素時(shí)間te才開始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開始下一行轉(zhuǎn)移，如此直到讀完1幀。

復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）以其高度集成、靈活、方便的特點(diǎn)，在電路設(shè)計(jì)中運(yùn)用越來越廣泛。Altera公司的復(fù)雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個(gè)可用邏輯門，128個(gè)宏單元，8個(gè)邏輯塊，最大時(shí)鐘可達(dá)147.1MHz，帶有68個(gè)可供用戶使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過JTAG接口實(shí)現(xiàn)在線編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過硬件描述語言（VHDL）在集成開發(fā)環(huán)境MAX PLUS II下完成邏輯設(shè)計(jì)；編譯后，通過JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實(shí)現(xiàn)了KAF-0401LE芯片的時(shí)序要求。

MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對(duì)某一應(yīng)用而開發(fā)的，具有通用性，調(diào)用它固有的元件庫可能造成資源的浪費(fèi)，沒有必要。因此我們按照需求，編制了自己的元件庫，然后在程序中作為元件調(diào)用。在本系統(tǒng)中，僅用1片EPM7128LC84-15就實(shí)現(xiàn)了CCD的時(shí)序要求、暫存RAM和接口擴(kuò)展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡(jiǎn)化恥電路的硬件設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)可靠性，又降低了成本。交流時(shí)序條件要求如表1所列。

表1

1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路

我們采用能夠滿足高頻要求的放大器LF356N設(shè)計(jì)雙采樣和模擬放大電路。根據(jù)CCD的動(dòng)態(tài)范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數(shù)轉(zhuǎn)換。

雙采樣原理如圖2所示。RSL是CCD復(fù)位電平，光信號(hào)相當(dāng)于SGL與RSL的差值，理論上只要分別在RSL和SGL處各采樣一次，然后相減便得到信號(hào)的值。然而，實(shí)際上RSL和SGL并不是理想的水平線，而是存在著低頻起伏噪聲。為了降低噪聲的影響，通常的做法是，分別在RSL和SGL處多次采樣求平均，這樣對(duì)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件的要求都很高。我們這里采用了積分型相關(guān)雙采樣技術(shù)，如圖3所示，CCD信號(hào)分別經(jīng)過同相和反相放大器連到模擬開關(guān)輸入端。模擬開關(guān)S1打開時(shí)，RSL通過電容積分;s2打開時(shí)，SGL信號(hào)經(jīng)電容積分；s3打開輸入端接地，信號(hào)保持不變；s4為復(fù)位開關(guān)。積分放大器的輸入、輸出關(guān)系如下：

圖2中的積分輸出是相關(guān)雙采樣的輸出波形圖。采樣保持后通過A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)8255口存在板上的RAM中。

1.3 電壓偏置電路

CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)的直流偏置電壓各不相同，CPLD產(chǎn)生的TTL信號(hào)必須經(jīng)過電壓變換才能加到CCD的輸入端。我們首先用LM317和LM337產(chǎn)生所需要的偏置電壓，然后經(jīng)過時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)芯片DS0026轉(zhuǎn)換得到時(shí)序和偏置都符合CCD要求的信號(hào)，電路如圖4所示。

LM317用于輸出正相偏置電壓，LM337用于輸出負(fù)相偏置電壓，通過調(diào)節(jié)可變電阻R2阻值可得到我們所需的偏置電壓，計(jì)算公式如下：

其中，Iadj100μA,Vref=1.25V，圖4（a）中R1取240Ω，圖4（b）中R1取120Ω。

2 軟件編程

軟件是管理硬件的工具，硬件是實(shí)現(xiàn)軟件功能的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的軟件工作任務(wù)較重，從可編程邏輯器件的硬件描述語言編程、電路板上單片機(jī)的匯編程語言編程，到計(jì)算機(jī)上控制系統(tǒng)的Visual C++編程。

2.1 時(shí)序信號(hào)的VHDL語言編程

我們用VHDL編制CCD時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)信號(hào)、圖像暫存RAM和接口擴(kuò)展芯片8255的地址譯碼和片選信號(hào)，在集成開發(fā)環(huán)境MAXPLUS II中編譯，通過JTAG口下載到EPM7128SLC84-15中。下面給出實(shí)現(xiàn)CCD系統(tǒng)時(shí)序部分VHDL語言設(shè)計(jì)和時(shí)序仿真結(jié)果。VHDL語言編程基本上分為2個(gè)部分：實(shí)體說明和結(jié)構(gòu)體定義。實(shí)體說明部分定義端口，結(jié)構(gòu)體中實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)。程序如下：

LIBRARY ieee； --包括的庫

USE ieee.std_logic_1164.all；

USE ieee.std_LOGIC_ARITH.ALL;

USE ieee.std_logic_unsigned.all;

ENTITY kodak7128 IS --實(shí)體說明部分

PORT --端口

（ clk:IN std_logic; 時(shí)鐘輸入

start:IN STD_LOGIC; --啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)輸入

rc:OUT STD_LOGIC; --啟動(dòng)A/D變換輸出

s1,s2,s3,s4:OUT STD_LOGIC； --相關(guān)雙采樣模式時(shí)鐘輸出

v1:OUT STD_LOGIC; --CCD行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘輸出

v2:OUT STD_LOGIC;

r :OUT STD_LOGIC;--CCD復(fù)位始終輸出

h1：OUT STD_LOGIC；--CCD像素轉(zhuǎn)換時(shí)鐘信號(hào)輸出

h2: OUT STD_LOGIC；

a,b,c：IN STD_LOGIC； --擴(kuò)展RAM譯碼輸入

a2,a3,a4,a5,a6,a7：IN STD_LOGIC； --口擴(kuò)展芯片8255地址譯碼片選輸入

a8,a9,a10,a11,a12,a13,a14,a15 : IN STD_LOGIC；

ram5,ram6,ram7:OUT STD_LOGIC; --擴(kuò)展RAM及8255片選譯碼輸出

ram8,ram9,ram10,ram11,ram12,cs8255:out std_logic);

ARCHITECTURE mboard OF kodak7128try IS-結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)部分

--PROCESS定義邏輯

END mboard；

時(shí)序仿真結(jié)果如圖5所示。

2.2 下位機(jī)的匯編語言編程

89C51作為電路板上的靈魂，負(fù)責(zé)接收計(jì)算機(jī)傳來的命令，管理CCD數(shù)據(jù)的采集、接收、傳送。與計(jì)算機(jī)的通信通過串行口中斷實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)的采集通過外中斷實(shí)現(xiàn)。

事先需要定義好計(jì)算機(jī)與單 牒同的通信協(xié)議，在初始化程序中設(shè)置通信波特率、堆棧初始化以及寄存器初值，然后進(jìn)入循環(huán)，等待中斷的發(fā)生，調(diào)用中斷子程序，實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

當(dāng)計(jì)算機(jī)有命令到來時(shí)，進(jìn)入串行中斷子程序，在中斷中根據(jù)預(yù)先定好的協(xié)議，判斷計(jì)算機(jī)發(fā)來的不同命令，調(diào)用不同處理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取數(shù)、停止取數(shù)。

2.3 CCD相機(jī)控制系統(tǒng)Visual C++編程

Windows以其操作簡(jiǎn)單、友好的圖形界面成為最流行的操作系統(tǒng)。Visual C++是目前公認(rèn)最強(qiáng)大的Windows程序設(shè)計(jì)工具。我們用它開發(fā)了相機(jī)控制系統(tǒng)。

首先定義人機(jī)接口的操作界面。在程序中主要分為數(shù)據(jù)的獲取、存儲(chǔ)與處理幾個(gè)方面，在數(shù)據(jù)的獲取方面我們專門定義一個(gè)串口通信類，開一個(gè)線程用于監(jiān)聽串口事件的發(fā)生，用于向下位單片機(jī)發(fā)送命令和接收數(shù)據(jù)。

3 測(cè)試結(jié)果

我們完成了從芯片到相機(jī)系統(tǒng)的軟硬件研制，初步測(cè)試，效果良好，對(duì)于發(fā)展我們自己的CCD技術(shù)做出有意義的探索和研究。圖6是相機(jī)CCD量子效率測(cè)試結(jié)果。