基于emdd的相机高帧频实时传输与记录方法

基于emdd的相机高帧频实时传输与记录方法

0dc图像传感器高视频图像采集系统广泛应用于图像诊断领域。目前，该系统的主要设备是高速固体图像传感器，通常使用cd相机（chargacouper）图像传感器。许多科学级高速摄像系统也是采用CCD图像传感器。为更好地提高CCD的灵敏度出现了许多新技术,如:背照式CCD技术、电子增益(EM,ElectronMultiplying)CCD技术等。EMCCD技术能很好的提高CCD的灵敏度,使其达到微光应用要求。但是EMCCD器件需要多种电源供电,同时需要摆幅很高的驱动时序,这往往成为设计EMCCD高速相机的技术难点。本文介绍了基于一种背照式EMCCD图像传感器CCD60设计高速高灵敏度相机的方法。1系统总体结构的设计建立CCD60是e2v公司生产的新型高帧频电子倍增低照度CCD(EML3CCD,ElectronMultiplyingLowLightLevelCCD)图像传感器。芯片采用背照式技术来提高量子效率,在可见光波段内,其量子效率可高达90%,采用电子增益技术来提高灵敏度,使该芯片能够达到高帧频夜视效果。芯片最高帧频可达1000fps。设计建立高速高灵敏光纤传输EMCCD相机需要以下几个关键技术:1)EMCCD驱动时序与电源管理技术。解决EMCCD所需要的各种直流偏置电源,提供EMCCD所需的行、场、像素的控制时序信号,从而建立EMCCD的工作环境,使其输出视频信号。2)CCD视频信号处理与数字化技术。解决CCD输出视频信号的行场同步信号检测,视频时钟重建以及视频信号的数字化工作。3)图像数据光纤传输与远程采集技术。解决数字化后的高速图像数据的光纤编码与传输,提供远程数据采集与图像数据恢复软硬件,获得高帧频图像数据。根据建立高速高灵敏光纤传输EMCCD相机的技术不同,可把系统划分为以下组成单元:光学镜头单元、驱动电路与电源单元、视频信号处理与数字化单元、光纤传输单元、终端采集单元组成。系统结构框图如图1所示。在不采用虚线框内的光纤传输单元时,系统为近程PC互联相机。2逻辑时序信号产生和处理CCD60共需要9路时序驱动信号(见表1),而这些驱动信号的电压分为-5~+5V、0~12V、4~40V三种,且这些信号上限电压必须可调。一般地说,能产生逻辑时序的可编程器件的输出电平多为1.8V、2.5V、3.3V和5V几种不同规格,不符合该种CCD时序驱动信号的电平要求,因而需要进行专门设计。我们采用集成器件DS0026对±5V与12V的8路信号进行驱动,采用分立器件对电平摆幅较高(高电平20~50V)的RФ2HV信号进行驱动。逻辑时序信号可通过FPGA或CPLD器件产生,本文采用CPLD器件XC95108-7产生逻辑时序信号。CCD60驱动电路的原理框图如图2所示。CCD60芯片所需要的9路时序驱动信号之间有严格的相位关系。其中倍增控制信号RФ2HV与行时序控制信号RФ1,RФ2,RФ3之间的关系如图3(a)所示。它要求外部逻辑器件提供的信号满足图中所示的相互关系,即倍增控制RФ2HV在RФ1的下降沿之前到达最高电平。利用设计的驱动电路产生了符合要求的驱动时序,运行结果如图3(b)所示。除倍增时序外,CCD60芯片还需要行时序与帧时序(见图4)。系统行时序由8个行同步周期、8个空像素周期与128个像素周期共144个周期构成。在编程实现中,参照了系统时序的基本特点,把时序分成帧、行、像素的方式组成完整的系统时序。由最基本的像素时序组成行时序,再由行时序组成帧读出时序,加入行起始时序与行转移时序,用不同的门信号对控制信号进行选择,组成一个完整的帧时序,用连续的帧时序组成系统工作时序。同时系统时序留有复位与触发信号,可根据需要进行适当的时序选择。除系统时序外,CCD60还需要一些电源,一共8路,分别为:R_DC、OG、SS、OD、RD、IG、ABD、DG。这些电源从3~28V不等,本文均采用LM317T产生所需电源,从实际运行结果可知,设计符合CCD60要求。3cds视频压缩技术利用设计的驱动电路与电源,CCD60器件输出了正确的视频信号。一般的说,CCD输出的视频信号不能直接由普通图像采集卡或者其它视频采集设备完成视频的采集与还原,还需要对其信号进行一定的处理。常规的处理方法是先对CCD视频信号反向放大,而后钳位采样,得到模拟视频信号,再由图像采集卡或者视频采集设备完成对CCD输出视频的采集。这种方法原理简单,但中间环节较多,容易引入干扰的因素,不利于高速图像的采集。本文采用CDS(相关双采样)技术对CCD视频输出进行处理并数字化。CDS技术关键环节为对一个像素进行两次采样,一次采样位置在像素肩位置,作为参考电平;另一次采样位置在像素底位置,作为数据电平;将两次采样电平相减作为视频信号。这样可以简化CCD视频处理电路,并有效降低低频干扰。CDS技术的一个典型时序图如图5所示,CCDOUT为CCD输出的视频信号,REFCK为参考采样时钟,DATCK为数据采样时钟;在REFCK的低电平时间内完成一次对CCDOUT的采样,这时采样位置在视频信号的肩部,在DATCK的低电平时间内完成另一次对CCDOUT的采样,这时采样位置在视频信号的最底部,处理电路把两次采样结果相减得到的电平即为CCD的视频信号幅度。本文选用带有CDS功能的CCD视频处理芯片VSP2000完成CCD60器件输出的视频信号的数字化。VSP2000是一个带有CDS、VGA(压控增益)、10位数字化ADC的CCD视频专用处理芯片,其结构框图如图6所示。芯片还具有空像素校零、黑电平校正、电压钳位、输出放大器等功能。暗像素校零、黑电平校正由数字信号控制,可通过CPLD提供。电压钳位由芯片内部控制,钳位电压在1V。CDS的控制信号REFCK、DATCK以及模数转换控制信号ADCK都是通过CPLD产生。这些信号共同组成VSP2000的控制时序。VSP2000工作电压为3V,其输出端口负载能力不强,在使用时一般增加一级缓冲电路。本文采用61LVTH16244芯片完成输出端口的数据缓冲,接入数据总线。4数据远程实时传输单元前已述及,视频处理与数字化单元输出的为10位并行数字化图像数据,另外还有行同步、帧同步、像素时钟等同步控制信号,要对这些并行信号直接进行远程同步传输至少需要13路传输链路,显然不大现实。因此在对这些信号进行传输之前需要进行信号的复用与编码,从而仅采用一条数据链路就能把所有数据发送到后端。当然对信号的复用与编码不能占用过多的时间,否则无法保证系统的实时传输特点。在综合考虑了这些因素后,设计中采用CPLD控制编码芯片HDMP1032把并行数据直接复用编码,通过光收发模块RTXM171转换为光信号进行光纤远程传输,后端则由光收发模块RTXM171接收光信号并转换为电信号,通过HDMP1034解码芯片恢复出所有数据,再通过后端的CPLD进行图像数据识别复原进行缓存或采集。系统的数据远程实时传输框图如图7所示,应当说明的是数据远程实时传输单元在硬件上分为两个部分,数据发送部分与数据接收部分。HDMP1032为Aglient公司生产的16位并行编码芯片,该芯片在一定的逻辑控制信号作用下,可以直接把16位并行数据复用成一路高速串行数据,输出为LVDS信号。HDMP1034为解码芯片,它在一定的逻辑控制信号作用下可以把接收到的一路高速LVDS信号恢复成原有数据。RTXM171为光收发一体模块,即具有光发送与光接收两种功能;它的电气接口信号为PECL信号,在与HDMP1032、HDMP1034连接时需要进行LVDS与PECL信号之间的转换。由CPLD提供逻辑控制,利用三种芯片即可组建成多路并行数字信号光纤传输链路。发送与接收的逻辑控制信号都是由CPLD器件XC95108产生的。前端的CPLD提供HDMP1032所需的控制信号与图像数据的同步信号。后端的CPLD对HDMP1034恢复的数据进行识别,恢复出图像数据与同步信号,并交采集单元进行处理。5usb采集方式本文设计时采用了USB数据采集、SRAM缓存采集卡采集两种不同的采集方式,以增强系统在数据采集时的可靠性。系统的数据采集硬件中采用两片CPLD器件相对独立的进行采集控制。一片用于USB的采集控制,根据需要把数据实时发送到USB端口,实现连续实时采集、单次触发采集、Binning采集等功能。另一片用于SRAM缓存的采集卡的采集控制,根据需要把数据首先存储于SRAM之中,而后由采集卡采集;实现连续采集、单次触发采集的功能。两种不同的采集方式都有自己的特点与优点。USB采集方式能够实时采集图像数据,采集长度可达2000帧,具有实时性强,记录容量大的优点。SRAM缓存方式把图像数据实时存储于SRAM当中,存储容量最多只有4帧,但在单次触发采集时,如果在采集数据时出现错误,它能够重新采集SRAM中存储的数据,从而保证单次触发数据不会丢失,这是USB采集方式没有的。两种方式互为补充,增强了系统的可靠性。USB采集方式的硬件基于Cypress公司的CY7C68013芯片开发而成。实现16位并行数据的USB2.0采集功能。通过与CY7C68013连接的CPLD芯片扩展其功能应用到CCD60的采集系统中。SRAM缓存方式的硬件基于ISSI公司61C1024芯片、ADlink公司的PCI-7296采集卡与CPLD器件XC95108开发而成。相对应于两种不同的采集方式开发了两种专用软件。软件都使用模块化设计技术,VC++6.0编程语言开发,界面简洁。两种软件运行效果如图8。其中USB采集程序能够连续采集2000帧图像数据,并按专用格式存储。同时程序具有回放功能,能够把采集到的数据逐帧连续回放,从而找到采集时间内的感兴趣帧。两种软件都具有单次触发模式,且在触发模式中都能自动保存采集到的数据,从而确保数据安全。6不同工作模式下图像对比设计建立高帧高灵敏度成像系统软硬件之后,对系统进行了调试、组装与性能测试。建立了高帧频高灵敏度远程光纤传输式成像系统,如图9。系统最高帧频可达1000fp