新型數字CCD相機及其圖像數據傳輸卡設計

隨著ＣＣＤ技術的發(fā)展，頻率高、數字化的新型ＣＣＤ相機不斷出現。ＣＣＤ相機輸出的數字化，簡化了相機與傳輸采集系統(tǒng)的接口設計，使數字ＣＣＤ相機正越來越多地成為實時ＰＣＩ控制、數據采集、圖形圖像處理、遙感遙測等系統(tǒng)中的探測器。這種ＣＣＤ相機多采用幀轉移型體系結構，轉換速度快，量化精度、量子效率高。準確理解相機的接口信號及其時序關系，掌握其圖像數據傳輸卡的原理及實現方法，可大大拓寬數字ＣＣＤ相機的應用領域，提高應用系統(tǒng)的靈活性。

１ 數字ＣＣＤ相機及其接口技術

在本系統(tǒng)中使用ＤＡＬＳＡ公司生產的ＣＡ－Ｄ７－１０２４Ｔ數字ＣＣＤ相機。該相機是一種幀轉移型的ＣＣＤ相機，相機的空間分辨力為１０２４×１０２４像元，單像元尺寸為１２μｍ×１２μｍ，１００％填充因子。在相機內部采用了相關雙采樣（ＣＤＳ）、垂直反暈（ＶＡＢ）等技術，大大提高了相機的成像品質。相機輸出經過采樣、量化的數據，量化精度為１２位，最大幀頻為８．４Ｈｚ，電子快門。相機內部由ＣＣＤ圖像傳感器、驅動器、定時器、Ａ／Ｄ轉換等模塊組成。其接口信號分為兩類：用戶總線接口信號和數據總線接口信號。

用戶總線接口信號包括：

?ＥＸＳＹＮＣ觸發(fā)幀讀出信號，是必備信號。當ＥＸＳＹＮＣ固定接低電平時，相機以最大幀速率輸出圖像數據；當ＥＸＳＹＮＣ正負交替時，它的下降沿觸發(fā)幀讀出。

?ＰＲＩＮ像元復位信號，為可選信號。在兩次ＥＸＳＹＮＣ有效之間復位像元（給積累電荷的電容放電），從而縮短有效曝光時間。ＰＲＩＮ低有效，在其上升沿開始有效曝光。如果ＰＲＩＮ固定接高電平，積分時間最大；如果ＰＲＩＮ被固定接低電平，探測器收集不到任何圖像信息。

?ＢＩＮ像元合并信號，也是可選信號，可以控制像元合并。像元合并后會降低相機的空間分辨率，但會增強探測器對光的敏感性。ＢＩＮ信號高有效，不用時將其接為低電平。

以上信號均由應用系統(tǒng)產生，送給相機，為應用系統(tǒng)根據需要設定相機的工作模式提供了手段。

數據總線接口信號為相機輸出信號，包括：

?ＤＡＴＡ０～１１１２位數據總線。ＤＡＴＡ０～１１是相機輸出的、分別對應目標某個像元灰度的１２位圖像數據。

?ＳＴＲＯＢＥ像元時鐘信號。ＳＴＲＯＢＥ是圖像數據的像元時鐘。它的頻率與數據速率相同，即使數據無效，ＳＴＲＯＢＥ仍然連續(xù)交變。為了獲得有效的圖像數據，傳輸卡應在ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ為高電平時，在ＳＴＲＯＢＥ的下降沿進行數據鎖存。

?ＦＶＡＬ幀同步信號。ＦＶＡＬ高電平表明相機正輸出一幀有效數據。

?ＬＶＡＬ行同步信號。當ＦＶＡＬ為高電平時，ＬＶＡＬ高電平表明相機正輸出一個有效的像元行。在兩個有效行之間，ＬＶＡＬ會變低跳過幾個無效的像元，跳過的像元數取決于相機的型號和預觸發(fā)設定。

圖像數據傳輸卡正是利用這些接口信號來實現對相機的控制及圖像數據的抓取操作。為提高信號的抗干擾能力，所有這些接口信號均按ＲＳ４２２規(guī)范以差分方式在數字相機和圖像傳輸卡間進行傳輸，傳輸電纜為１００Ω屏蔽雙絞線。圖１表示了相機接口信號之間的時序關系。

當ＰＲＩＮ由低電平向高電平跳變時，相機開始曝光。達到設定的曝光時間后，使ＥＸＳＹＮＣ信號變低，觸發(fā)幀讀出。此時相機首先進行幀轉移，幀轉移一結束，輸出信號ＦＶＡＬ由低變高表示有效的數據幀開始，ＬＶＡＬ由低變高表示相機正輸出有效像元行。當ＦＶＡＬ和ＬＶＡＬ再一次變低時，表示一幀數據輸出結束，可以開始第二次觸發(fā)幀讀出（使ＥＸＳＹＮＣ有效）。第二次曝光可在第一次幀轉移結束后與第二次幀讀出啟動前這段時間進行，曝光時間在一定范圍內可調。