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用于天文觀測的CCD相機(jī)系統(tǒng)的研究
摘要：詳細(xì)介紹紫金山天文臺紅外實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的CCD相機(jī)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)柯達(dá)CCD芯片KAF-0401LE的時序要求，用復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）實(shí)現(xiàn)了CCD的時序；采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低探測信號噪聲；用89C51作下位機(jī)控制，通過RS232與上位計(jì)算機(jī)通信；系統(tǒng)控制軟件采用Visual C++編寫。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個等級；商業(yè)級、工程級和科學(xué)級。3個級別的要求一級比一級高。衡量CCD的性能主要從以下幾個方面：量子效率和響應(yīng)度、噪聲等效功率和探測度，即動態(tài)范圍和電荷轉(zhuǎn)移效率等。科學(xué)級CCD以其高光子轉(zhuǎn)換效率、寬頻譜響應(yīng)、良好線性度和寬動態(tài)范圍廣泛用于天文觀測，已成為望遠(yuǎn)鏡測必不可少的后端設(shè)備。國內(nèi)各天文臺望遠(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)。紫金山天文臺紅外實(shí)驗(yàn)室對這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調(diào)研，認(rèn)真選取，(范文先生網(wǎng)www.baimashangsha.com收集整理)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)觀測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅(qū)動和系統(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。整個系統(tǒng)由圖1所示幾個功能部件組成。
1.1 時序信號發(fā)生電路
KAF-0401LE芯片的時序要求：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個脈沖下降沿后，要有1個行轉(zhuǎn)移建立時間tφHs，讀完行后需延遲1個像素時間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個可用邏輯門，128個宏單元，8個邏輯塊，最大時鐘可達(dá)147.1MHz，帶有68個可供用戶使用的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芯片的時序要求。
MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對某一應(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，RSL通過電容積分;s2打開時，SGL信號經(jīng)電容積分；s3打開輸入端接地，信號保持不變；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)動信號的直流偏置電壓各不相同，CPLD產(chǎn)生的TTL信號必須經(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)過時鐘驅(qū)動芯片DS0026轉(zhuǎn)換得到時序和偏置都符合CCD要求的信號，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，Iadj<100μA,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 時序信號的VHDL語言編程
我們用VHDL編制CCD時鐘驅(qū)動信號、圖像暫存RAM和接口擴(kuò)展芯片8255的地址譯碼和片選信號，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)時序部分VHDL語言設(shè)計(jì)和時序仿真結(jié)果。VHDL語言編程基本上分為2個部分：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; 時鐘輸入
start:IN STD_LOGIC; --啟動采集數(shù)據(jù)輸入
rc:OUT STD_LOGIC; --啟動A/D變換輸出
s1,s2,s3,s4:OUT STD_LOGIC； --相關(guān)雙采樣模式時鐘輸出
v1:OUT STD_LOGIC; --CCD行轉(zhuǎn)移時鐘輸出
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)換時鐘信號輸出
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，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、存儲與處理幾個方面，在數(shù)據(jù)的獲取方面我們專門定義一個串口通信類，開一個線程用于監(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，初步測試，效果良好，對于發(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量子效率測試結(jié)果。
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