一種基于51單片機的可控成像系統(tǒng)設(shè)計
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CCD讀出電路的噪聲主要包括讀出電路中所用器件的固有噪聲，以及因電路結(jié)構(gòu)、電路工作方式引入的附加噪聲。主要有1／f噪聲、KTC噪聲和固定平面噪聲，這些噪聲限制了圖像傳感器的動態(tài)范圍，降低了信噪比。在讀出電路中，相關(guān)雙取樣技術(shù)(CDS)是目前應(yīng)用最廣泛的噪聲抑制技術(shù)。由于一個像元傳輸時間中的復(fù)位噪聲是相關(guān)的，相關(guān)雙取樣電路(CDS)可以利用信號相減的運算關(guān)系來消除或消弱信號里的1／f噪聲、KTC噪聲和固定平面噪聲，從而可大大提高系統(tǒng)的信噪比。自動增益控制電路(AGC)可以使放大電路的增益自動地隨信號強度而調(diào)整，使圖像信號的亮度平穩(wěn)，特別是低照度環(huán)境里微弱光信號的放大。但不足的是它也會放大低照度條件下的暗電流，降低圖像質(zhì)量。另外，模擬前端帶寬的合理選擇可以對系統(tǒng)噪聲和系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)進行折中，以滿足應(yīng)用的需求。目前有兩種AFE設(shè)計方法，一種是采用分立元器件實現(xiàn)，另一種是采用集成AFE芯片實驗。隨著AFE芯片的成熟，其內(nèi)部還集成了暗電流校正電路，各項指標遠高于一般分立元器件搭建的電路，并且調(diào)試簡單。該系統(tǒng)選擇的集成AFE是CXA2096N，是專門為數(shù)字攝像機而設(shè)計的，內(nèi)部包括相關(guān)雙取樣電路(CDS)、自動增益控制電路(AGC)，為A／D轉(zhuǎn)換器提供的參考電平以及采樣保持電路，其自動增益變化范圍為-0．8～31．3 dB。
3 信號處理模塊
3．1 視頻處理芯片
本文選擇的信號處理芯片是SONY公司的CXD3172AR。該芯片內(nèi)建10位高精度A／D轉(zhuǎn)換器，具有自動白平衡、自動曝光、自動黑電平校正和缺陷補償?shù)裙δ?，并能產(chǎn)生驅(qū)動CCD的時序脈沖，能夠輸出PAL／NTSC制式的模擬信號和ITU656格式的數(shù)字信號，其控制方式有2種：通過RS 232接口用PC機軟件控制；通過MCU通用管腳直接用硬件控制。因為MCU的傳輸總線不屬于通用的I2C和SPI總線，所以參考芯片資料，設(shè)計了與MCU的通信接口。該芯片支持的最大傳輸速率為400 Kb／s；使用PC機軟件僅支持19．2 Kb／s，且不能完全利用該芯片的帶寬，軟件控制還必須依賴PC機，不利于攜帶。在該系統(tǒng)中，采用純硬件控制方式實現(xiàn)的DSP功能，具有快速靈活的特性。以CXD3172AR為核心組成信號處理模塊的外圍電路主要有電源、時鐘、視頻輸出接口和控制通信接口。
3．2 時鐘產(chǎn)生電路
CXD3172AR需要產(chǎn)生驅(qū)動CCD的時序脈沖，其主時鐘將影響整個系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。該系統(tǒng)選擇的CCD兼容PAL制式色彩攝像機，總共像素為795(H)×596(V)，系統(tǒng)要求28．375 MHz的時鐘驅(qū)動系統(tǒng)和27 MHz的時鐘驅(qū)動編解碼器。為了有穩(wěn)定的時鐘源，采用鎖相環(huán)路(PLL)，用一個高穩(wěn)定性參考源的一個分頻和VCXO的一個分頻進行相位比較，產(chǎn)生一個誤差變化電壓，給VCXO進行環(huán)路負反饋，從而使輸出頻率更穩(wěn)定。設(shè)計VCXO輸出28．375 MHz時鐘和石英晶振回路輸出27 MHz時鐘，系統(tǒng)產(chǎn)生的水平同步信號頻率為15．625 kHz，其與VCXO的分頻進行相位比較，PCOMP引腳輸出相位比較結(jié)果，判斷是否相位鎖定。
3．3 電源電路
系統(tǒng)需要4組獨立電源，其電壓分別為：3．3 V，5 V，15 V，-7 V。基于便攜性的考慮，采用9 V直流電壓作為電路板的輸入，通過線性穩(wěn)壓電源芯片LT1117-3．3和LT1117-5得到3．3 V和5 V電壓，選擇TPS65131得到15 V和-7 V電壓。TPS65131能夠輸出正負雙電壓，非常適用于便攜性設(shè)備。4組電源的輸出端分別通過LC低通濾波器，就能為系統(tǒng)提供高精穩(wěn)定的直流電源。
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