基于USB的高清彩色CCD图像采集系统

黄以华，黄剑峰

（中山大学信息科学与技术学院 电子与通信工程系，广东 广州 510006）

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[1]。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[2]。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[3]。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[4]。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[5]。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EPM3128ATC100-10N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[6]。

图1 系统架构Fig.1 System structure diagram

1.2 CCD驱动电路设计

图2为CCD驱动电路[3]。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[7]。本设计采用的是与ICX205AK相配套的垂直时钟驱动芯片CXDl267AN，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-8 V/0 V两个等级，V2A，V2B要求为-8 V/0 V/+15 V 3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V2AV2B，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。

图2 CCD驱动电路Fig.2 Driver circuit of CCD

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Slave 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 高速USB2.0接口电路Fig.3 Interface circuit of USB

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[8]。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[1]。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。

图4 相关双采样时序图Fig.4 Double sample timing

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。

图5 固件程序流程图Fig.5 Flow chart of firmware program

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。

图6 中断程序工作流程Fig.6 Flow chart of interrupt program

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。

图7 单线程与多线程系统结构Fig.7 Single-threaded and multi-threaded architecture

在图像数据采集模块中，一种数据采集方法是串行处理[9]，如图 8 所示。

图8 串行数据采集方法Fig.8 Serial data acquisition methods

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[10]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。

图9 双缓冲交替采集方法Fig.9 Double buffering alternate acquisition method

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1 360×1 024约等于140万像素。最快可以实现7.5 frams/s的采集速率。

图10 整机调试图Fig.10 Overall debugging Figure

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。

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