基于USB的高清彩色CCD图像采集系统

摘要：提出一种基于USB的彩色CCD高清图像采集系统设计方案。图像数据的来源采用的是SONY公司的ICX205AK芯片，结合USB2．0接口，复杂可编程逻辑器件CPLD设计了一个高速的彩色CCD图像采集系统。文中详细阐述了系统内不同模块的硬件电路设计思路和软件运行流程。整个系统由电源系统、CCD传感器、A／D模数转换器、CPLD控制器、USB2．0高速接口、上位机控制程序等各个部分组成。本系统的硬件电路可以协调正常工作完成分辨率为140万的高清图像采集，最高采集帧率达7．5 frame／s。
关键词：CCD；图像采集；ICX205AK；USB2．0；CPLD

    随着时代的进步，科技的发展，数字图像的采集与处理在科技研究，工农业生产、医疗卫生、航空航天，军事对抗等领域得到了越来越广泛的应用。所以，对图像采集系统的研究具有重要的现实意义和应用价值。笔者提出了一种基于USB的彩色CCD高清图像采集系统。CCD中文名称为电荷耦合器件，它是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型半导体探测器件，可把自然图像转换为电信号，具有动态范围大、电荷转移效率高、低噪声输出、分辨率高、工作频率高等优点。USB即Universal Serial Bus，是通用串行总线的简称，这是由七家主要的计算机与电子科技大厂于1994年所研发和制定的一种串行总线协议。本采集系统具有以下特点：数据传输采用USB2．0高速传输接口；整个系统由USB接口供电，无需外加额外的电源；系统可实现140万的高清图像采集；图像采集的速度最高达7．5 frame／s。

1 系统硬件设计
1．1 系统硬件架构
    本系统的硬件架构如图1所示。整个系统由电源系统、光学系统、图像传感器，A／D转换器、CPLD控制器、USB2．0高速接口、上位机PC以及控制程序等各个部分组成。电源模块负责给整个系统供电，电源模块的输入是USB总线提供的5 V电源，进行DC—DC转换产生两路CCD驱动所需要的电源：15 V、-8 V。其他模块的供电采用统一的3．3 V。图像传感器采用的是SONY公司的CCD ICX205AK，它是一款1／2英寸、145万有效像素的CCD传感器，每秒能够输出145万有效像素的图像7．5帧。A／D转换器负责将CCD输出的模拟信号转变成为数字信号，采用的是ADI公司的AD9824，它是一款完善的CCD信号处理器。CPLD控制器产生CCD和AD工作所需要的时序，同时须实时接收USB总线发送过来的控制信息，并根据接收到的参数实现图像的曝光时间和白平衡等调整。USB2．0高速接口是整个系统数据通信的“交通要道”，对系统中高速图像信号采集，上位机与硬件电路之间通信等方面起着至关重要的作用。本系统采用Cypress公司的USB2．0控制器CY7C68013A，CY7C68013A芯片内部包含USB2．0收发器、串行接口引擎(SIE)、增强型8051内核、16KB RAM、4KB FIFO存储器、I／O接口、数据总线、地址总线和通用可编程接口，硬件资源非常丰富。根据系统的要求，并考虑到系统的成本，本系统采用Altera公司的MAX 3000A系列产品中封装为TQFP 100的EPM3128 ATCl00-10N芯片作为系统的控制中心。该芯片有2500个系统门，128个宏单元，最大支持80个用户I／O，且功耗低。

1．2 CCD驱动电路设计
    图2为CCD驱动电路。由于ICX205AK垂直移位寄存器不能直接使用TTL电平驱动，所以需要引入CCD驱动电路部分，对CPLD生成的各种转移脉冲信号进行功率放大，以满足CCD对驱动波形电压及电流以及时序的要求。驱动信号的好坏会对CCD的电荷转移效率产生较大的影响，从而影响成像的质量。本设计采用的是与ICX205AK相配套的垂直时钟驱动芯片CXD1267AN，将原本为TTL电平的V1，V2A，V2B，V3和SUB信号转变为合适的电平。其中V1，V3要求为-8V／0 V两个等级，V2A，V2B要求为-8 V／0 V／+15 V3个等级，SUB为-8 V／+15 V两个等级。引入XSG1，XSG2两个时序信号，用于控制CXD1267AN生成垂直移位时钟信号V2A＼V2B，实现感光阵列中的电荷信号转移到移位寄存器。H1，H2水平寄存器转移时钟，用于控制水平移位寄存器的电荷信号的顺序移出，其频率直接决定CCD信号输出的频率。

1．3 高速USB2．0接口设计
    图3为高清图像采集系统的核心传输链路，USB2．0高速接口。因为图像采集系统要求将数据高速而准确地传入PC端，故本系统采用Sla ve FIFO模式，图像不经FX2LP的CPU处理，直接通过从属端点FIFO将数据高速传入PC端。

    图3中，IFCLK为Slave FIFO的接口时钟。Slave FIFO接口时钟信号既可由内部提供，也可由外部提供。如果FX2LP设置为使用外部时钟源，则IFCLK引脚可被用来提供5～48 MHz之间的任何频率的时钟信号。当IFCLK被设置为输入时，最小频率为5 MHz。FIFOADR[1：0]引脚用来选择EP2、EP4、EP6和EP8中的一个FIFO与数据总线FD连接。FULL和EMPTY引脚分别是FIFO的满状态和空状态标志，通过配置CY7C68013A内部的相关寄存器可使得当FIFO满状态或者空状态的时候向外部控制器发送相应的标志。SLWR引脚是写FIFO控制信号，当SLWR被激活时，数据总线FD上的数据在每个时钟信号IFCLK上升沿到来时被写入FIFO。
    INT1和PAUSE信号是为了协调高清图像数据正常发送而引入的额外信号。系统中CCD图像传感器输出的模拟信号经AD9824采样后输出14 bit数字信号，但数据中不包含图像帧头信息。为使主机应用程序能够准确和完整地分离出图像数据，本系统设计方法是在EZ-USB FX2LP的INT1中断服务程序中为每一帧图像加入特定的帧头。在EZ-USB在往FIFO里面写入帧头的过程中，不允许CPLD继续让AD向FIFO传送数据，从而引入了PAUSE信号通知CPLD暂停传送数据的操作。
    本系统采用的模拟转换器AD9824是一款14bits的高效CCD信号处理器，而FD[15：0]是16位的数据总线，在设计过程中，我们将高位数据线接地，低14位数据线接AD9824数据并行输出数据。

2 系统软件实现
2．1 AD相关双采样
    相关双采样(CDS)通过对每一个CCD像素点输出信号采样两次来消除低频噪声的影响，它是根据CCD输出信号和噪声信号的特点而设计。图4为相关双采样时序图，图中详细的指出了相关采样的时序要求。CCD每个像元的输出周期都以复位脉冲信号开始T1，先清除前一个像素的电荷，以等待下一像素电荷的到来。此时的输出信号被嵌入复位电平，并产生复位噪声；在图中T2期间，由于复位MOSFET漏电流的影响，复位电平有微小下降，这种现象称为复位失调电压。此时的输出信号为复位电平与复位噪声、复位失调电压的叠加；在T3期间，CCD电荷进行水平转移，此时混入移位时钟干扰；T4期间的输出为复位噪声、复位失调电压和有用光敏输出信号的叠加。所以相关双采样的原理就是在T2和T4时刻对同一像素点的输出信号进行采样，然后将两次采样值相减就基本消除了复位噪声的干扰，得到信号电平的实际有效幅值。本系统选用的模数转换器AD9824内部具有相关双采样电路，系统实现过程中就是EPM3128产生如图4所示的SHP、SHP、DATACLK采样信号，即可完成相关双采样逻辑，很大程度降低了图像数据中包含的噪声信号。

2．2 USB固件程序设计
    在USB接口设计中，USB固件编程是整个设计任务的核心。USB固件程序用于完成USB设备的识别、重列举、设备请求、USB协议处理、外部硬件的功能、负责与USB主机之间的数据通信等。固件的设计就是使在USB总线上的传输能获得最大的有效的数据传输速度。
    设备上电之后，就会按照如下的步骤执行固件：
    1)初始化架构全局变量；
    2)调用TD_Init()初始化FX2LP芯片，调用用户自定义的初始化函数，返回后USB设置为未配置状态，并打开中断；
    3)在紧接着的1秒内，重新枚举USB设备，直到收到SETUP封包；
    4)检查设备请求，有请求则执行相应的功能，有的需要跳转到相应函数；
    5)检查总线挂起事件，没有挂起事件则执行9)；
    6)调用TD_Suspend()，返回失败代码则执行9)；
    7)挂起处理器；
    8)检查重新开始事件，事件发生则调用TD_Resume()，否则执行7)；
    9)调用TD_Poll，函数返回到4)并执行。
    固件框架流程如图5所示。

    由于AD9824传送过来的每一帧图像都是连续的，也就是不包含帧头信息。本系统采取的做法是在一帧数据到来的时候，CPLD控制器会给CY7C68013A一个中断信号。中断服务程序所要做的工作就是清空FIFO里面的数据，并往FIFO里面写入512个字节的帧头(0xFF)数据。这样做的目的是保证上位机能够正确的识别每一帧数据。中断服务程序流程图如图6所示。

2．3 上位机程序设计
    本系统的上层应用程序使用VC++6．0软件进行编程，采用多线程、双缓冲区等技术实现动态图像的实时显示。
    在图像采集系统中，主要有3个功能模块：图像数据采集模块、图像数据处理模块、图像显示模块。如果采用单线程方法，则工作过程为：先进行数据采集，采集完成后对数据进行处理，最后将处理后的数据进行显示。由于这3个功能模块不能同时进行，会造成了CPU的利用率低，限制传输帧速率的提高，导致系统的整体效率大大降低。
    为了提高运行效率，本应用程序设计时采用多线程并行处理的方法，将数据采集、数据处理与图像显示分别放在3个线程里进行。从图7中可以很明显看出单线程与多线程的区别。

    在图像数据采集模块中，一种数据采集方法是串行处理，如图8所示。

    这种结构易于实现，但存在着明显的不足；效率低下，不适合实时性要求高的场合。
    为了进一步提高图像采集的实时性，在应用程序开发时设计了双缓冲区交替采集处理的工作方式，如图9。周期T时应用程序采集数据到缓冲区1，同时处理缓冲区2中的数据；周期T+1时应用程序采集数据到缓冲区2，同时处理缓冲区1中的数据。如此反复交替，可以显著提高数据采集效率。

    系统测试结果表明，与普通的但缓冲区单线程结构相比，这种双缓冲区多线程结构可以显著提高图像传输的帧速率。

3 系统测试
    通过USB2．0电缆将设备连接到装有Windows XP系统PC机上面，PC机上面运行采集软件进行图像采集。如果图像模糊不清，可以通过调节设备的镜头焦距，使得图像能够正确对焦。图10是整机调试的环境。图中采集到的图像数据为CCD的原始并未做处理的有效数据。图像的分辨率为1 360x1 024约等于140万像素。最快可以实现7．5 frams／s的采集速率。

4 结论
    本文设计了一个基于USB的彩色CCD图像采集系统，系统采用USB总线供电且能稳定工作，采集到140万的高清彩色图像，并最快能实现7．5 frame／s的动态图像采集。文章从硬件方面详细的叙述了整个系统的架构设计，CCD驱动电路的设计以及高速USB2．0接口的设计方案。软件方面阐述了AD相关双采样，USB固件程序的设计框架以及上位机多线程、双缓冲的设计思路。总之，本系统的设计方法对基于USB的图像采集系统的软硬件设计都具有重要的参考价值。