大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 光電分選就是利用光電技術(shù)把次品分類檢出并剔除，其關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)是物料數(shù)據(jù) 的精確采集。c c d ( c g 荷耦合器件) 是一種集光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲、電荷轉(zhuǎn)移為一體的傳 感器件，因其具有自掃描、高分辨率、高靈敏度、結(jié)構(gòu)緊湊、像素位置準(zhǔn)確等特性，近 年來在攝像、工業(yè)檢測等科技領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 本課題主要研究光電分選機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以x i l i n x 公司的f p g a 芯片 x c 3 s 5 0 作為主控制器和處理器，用線陣c c d 傳感器對顆粒狀物料進行動態(tài)掃描，得到 圖像數(shù)據(jù)，由圖像數(shù)字器進行信號調(diào)理、a d 轉(zhuǎn)換，經(jīng)外部存儲器緩存后送數(shù)據(jù)處理模 塊進行處理。該系統(tǒng)可實時在p c 機上顯示采集數(shù)據(jù)波形。， 本文詳細的介紹了c c d 的工作原理，分模塊介紹了線陣c c d 驅(qū)動電路；圖像信號 的調(diào)理、采樣和存儲電路；通信電路；電源電路以及e p p 接口電路等的設(shè)計與實現(xiàn)。系 統(tǒng)采用f p g a 技術(shù)實現(xiàn)了c c d 時序邏輯控制，c c d 圖像信號的采樣和存儲控制；自定 通信總線協(xié)議，建立三線制同步串行通信系統(tǒng)；完成對一幀c c d 樣本圖像數(shù)據(jù)的采集 和傳輸?shù)?。上位機用v c h 編寫了數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序，完成了數(shù)據(jù)波形的實時顯示。印 制電路板采用多層設(shè)計方法，所用硬件基本使用高速大規(guī)模集成電路，故電路板面積小、 可靠性高并且和鏡頭的體積相適應(yīng)。 本文采用v e r i l o g 語言進行硬件電路描述，利用x i l i n xi s e 軟件進行仿真、綜合、實 現(xiàn)和配置下載。最后經(jīng)過大量實驗，實現(xiàn)了c c d 信號的穩(wěn)定輸出和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作， 并給出了實驗波形，總結(jié)了系統(tǒng)的各方面性能和下一步的研究方向，為進一步的研究積 累了經(jīng)驗。 關(guān)鍵詞：光電分選機；線陣c c d ；f p g a ；數(shù)據(jù)采集；e p p 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 t h es t u d yo f p h o t o e l e c t r i cs o r t e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a b s t r a c t s o r t i n gi saw a y t os o r ta n dr e l l l o v ei n f e s t e do b j e c t sb yu s i n gp h o t o e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y t h em o s ti m p o r t a n tp a r to f s o r t i n gi sa c c u r a t ed a t aa c q u i s i t i o no f t h em a t e r i a l s c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e s ) i sas e n s o ri n t e g r a t e dt h eo p t i c st oe l e c t r o n i c sc o n v e r s i o n , c h a r g es t o r a g e a n dc h a r g et r a n s i t i o n , w h i c hi sa p p l i e dw i d e l yi ns o m ef i e l d ss u c ha sc a m e r aa n di n d u s t r y m e 踟e m e ma n ds oo i lr e c e n t l y 鼬i t sf e a t h e r so fs e l f - s c a n n i n g ，h i g ha s p e c tr a t i o ，h i g h s e n s i t i v i t y ，c o m p a c ts t r u c t u r ea n da c c u r a t ep i t c hp o s i t i o ne t c t h et h e s i sm a i n l ys t u d i e st h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f p h o t o e l e c t r i cs o r t e r t h es y s t e m u s e sx c 3 s 5 0f p g ab yx i l i n xa st h ec o r ec o n t r o l l e ra n dp r o c e s s o r , a n du s e sl i n e a rc c d s e n s o rt os c a nt h eg r a i n ym a t e r i a l sa n da c q u i r et h ei m a g ed a t a t h ei m a g ed a t at h r o u g ht h e i m a g ed i g i t i z e rw h i c hi n c l u d e dt h ei m a g es i g n a lc o n d i t i o n i n g , a dc o n v e r t e ri sc a c h e db yt h e e x t e r n a lm e m o r ya n dp m c e s s e db yt h ed a t ap r o c e s sm o d u l e t h es y s t e mc a l lr e a l i z et h e d i s p l a yo f d a t aa c q u i s i t i o nw a v e f o r mr e a l - t i m eo np c a tt h eb e g i n n i n g ，t h et h e s i sd e t a i l e di n t r o d u c e st h ec c d w o r k i n gp r i n c i p l e t h e nt h e d e s i g n sa n di m p l e m e n t a t i o n so ft h ed r i v ec i r c u i to fc c dc a m e r a ；t h ei m a g es i g n a l c o n d i t i o n i n g ，s a m p l ea n ds t o r ec f f c u i t ；c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tf o rd a t at r a n s m i t ；p o w e rs u p p l y e k c u i tf o rt h ev o l t a g e sa n de p pi n t e r f a c ec f f c u i ta mi n t r o d u c e di nm o d u l e s b a s e do nf p g a t e c h n o l o g y ，t h es y s t e mr e a l i z e sc c d t i m es e q u e n c el o g i c a lc o n t r o l ，c c di m a g ed a t as a m p l e a n ds t o r e b e s i d e s ，t h ed e s i g nc o m p l e t e ss y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do n s e l f - d e f i n i n gp r o t o c o l ；f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g nc o m p l e t e st h es a m p l ei m a g ed a t aa c q u i s i t i o n a n dt r a n s m i s s i o n u p p e rc o m p u t e rw r i t e st h ed a t aa c q u i s i t i o na p p l i c a t i o np r o g r a m sw i t h v c + + a n dr e a l i z e st h ew a v e f o r m so fd a t ar e a l t i m ed i s p l a y t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sm a i n l y d e s i g n e db a s e do nh i g h - s p e e dl s i ( l a r g es c a l ei n t e g r a t e d ) c i r c u i t sa n dm u l t i - l a y e rc i r c u i t s b e c a u s eo f t h i s ，t h ed e s i g nh a sh i g hr e l i a b i l i t ya n dt h es i z eo f t h ep c b ( p r i n t e d - c i r c u i tb o a r d ) i ss m a l la n dm a t c h e st h ec a m e r al e n s e sa n dv o l u m e i nt h i sp a p e r t h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o ni sr e a l i z e di nv e r i i o gl a n g u a g e u s i n gx i l i n xi s e s o f i w a r eh a sc o m p l e t e dt h es i m u l a t i o n , s y n t h e s i s ，i m p l e m e n t a t i o na n dc o n f i g n r a t i o n t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h es t a b l eo u t p u to f c c d a n do p e r a t i o no f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m a r ea c h i e v e d ，t e s tw a v e sa r eg i v e no u t t h es y s t e m sp e r f o r m a n c ea n dn e x ts t u d yd i r e c t i o i l s a r es u m m a r i z e dw h i c hc a np r o v i d es o m ee x p e r i e n c ef o rf u r t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：e l e c t r o - o p t i c a ls o r t e r ；l i n e a rc c d ：f p g a ；d a t aa c q u i s i t i o n ：e p p 獨創(chuàng)性說明 作者鄭重聲明：本碩士學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工 作及取得研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得大連理 工大學(xué)或者其他單位的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的貢獻均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 作者簽名：鐾墼遮日期：絲生：2 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 大連理工大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者及指導(dǎo)教師完全了解“大連理工大學(xué)碩士、博士學(xué)位論文版權(quán)使用 規(guī)定”，同意大連理工大學(xué)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大連理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi) 容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編學(xué)位論 文。 作者簽名：塞熊! 墜 導(dǎo)師簽名： ，僉碑 ! ! ：! 年生月 上日 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 1 1 光電分選機研究的意義 分選，是物料精加工的一道工序。光電分選機是綜合利用了現(xiàn)代光學(xué)、電子學(xué)和生 物學(xué)等新技術(shù)，從大量散裝產(chǎn)品中將顏色不正常的或感受病蟲害的個體( 球、塊或顆粒) 以及外來夾雜物檢測出并自動分選剔除，是典型的光、機、電一體化的高新技術(shù)設(shè)備。 在合格品與疵品因粒度或密度十分接近，無法用傳統(tǒng)的篩選或比重分選設(shè)備分離的場 合，其提高產(chǎn)品品質(zhì)、適應(yīng)日益發(fā)展的商品市場需要的獨特作用將十分明顯1 1 - 2 1 。它的 應(yīng)用不但可以提高生產(chǎn)效率，增加其附加值，帶來巨大的經(jīng)濟及社會效益，而且還可以 保障食用、使用時的安全性。 在分選機研究方面，國外公司起步較早美國e s m 公司及s o r t e x 公司分別于2 0 世紀(jì)3 0 年代及4 0 年代研制了這種設(shè)備，并根據(jù)市場需要不斷推陳出新。日本佐竹公司 于1 9 7 9 年首次推出這種產(chǎn)品，且目前生產(chǎn)的g s 系列大米色選機性能優(yōu)越，技術(shù)指標(biāo)穩(wěn) 定，得到了廣泛的應(yīng)用 3 1 。日本安西制作所于1 9 6 6 年6 月成立后，至今一直著力于光電 分選技術(shù)的研究，2 0 0 2 年4 月成功開發(fā)出世界首創(chuàng)的用于分選低粘度小麥的專用分選機 a u ，2 0 0 4 年開發(fā)并生產(chǎn)搭載高速c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 的大型號色選機d c i 4 1 ； 另外從事分選機研究的公司還有美國布勒集團及英國和瑞士的一些糧食加工設(shè)備生產(chǎn) 企業(yè)。 相對國外而言，國內(nèi)分選機的研究還處于起步階段，用于成品的還很少，目前主要 是引進或者改造國外的分選機。主要有：中美合資合肥安科光電有限公司引進美國技術(shù) 生產(chǎn)的分選機系列；由浙江齊鯉機械有限公司和韓國韓亞自動化( 株式會社) 聯(lián)合開發(fā)制 作的d i g i n i c s 系列大米分選機；合肥美亞光電技術(shù)有限責(zé)任公司2 0 0 3 年8 月推出的 最新v 8 軟件系統(tǒng)s s b 系列數(shù)字化分選機，其首次將高速浮點d s p 數(shù)字信號處理技術(shù) 及雷達中的抗干擾技術(shù)用于數(shù)字化分選機的開發(fā)；另外，核工業(yè)理化工程研究院自主研 究生產(chǎn)的分選機1 9 9 6 年1 1 月通過了國家鑒定，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計上還有許多值得改進的地 方，各項技術(shù)指標(biāo)與國外產(chǎn)品相比還有一定的差距1 5 】。 近3 0 年來，光電分選機在發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)、食品業(yè)、工業(yè)和礦業(yè)等行業(yè)中得到了 廣泛應(yīng)用。在我國，分選機己在碾米加工業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位，農(nóng)副產(chǎn)品分選、金屬分選 和礦石分選等其它加工業(yè)也正在積極推廣應(yīng)用。 上述說明，我國在光電分選機的研發(fā)方面還處于起步階段，為了盡可能瞄準(zhǔn)國際先 進水平，實現(xiàn)高起點開發(fā)，有必要對國產(chǎn)分選機進行技術(shù)革新和產(chǎn)品升級。 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 1 2f p g a c p l d 技術(shù)及其開發(fā)環(huán)境 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，現(xiàn)場可編程門陣列) 和c p l d ( c o m p l c x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，復(fù)雜可編程邏輯器件1 。是作為專用集成電路 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r e u i o 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既繼承 了a s i c 的大規(guī)模、高集成度、高可靠性的優(yōu)點，又克服了普通a s i c 設(shè)計周期長、投 資大、靈活性差的缺點，逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路的首選嘲。 f p g a 主要由以下幾個部分組成：( 1 ) 可編程邏輯塊c l b ；( 2 ) 可編程輸入，輸出模塊 i o b ；( 3 ) 可編程內(nèi)部連線p i 。i o 模塊分布在芯片四周，它是內(nèi)部邏輯和芯片封裝腳之 間的接口。邏輯單元通過程序定義內(nèi)部聯(lián)接關(guān)系，完成用戶所需的邏輯功能，邏輯單元 與邏輯單元、邏輯單元與外界的連接關(guān)系以及矩陣開關(guān)的狀態(tài)都通過程序定義。f p o a 借助于可編程內(nèi)部連線p i 把功能比較簡單的邏輯塊連接在一起，從而實現(xiàn)復(fù)雜功能電 路的設(shè)計。c p l d 的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，它主要有可編程i o 單元、基本邏輯單元、布 線池和其他輔助功能模塊組成。c p l d 在工藝和結(jié)構(gòu)上與f p o a 有一定的區(qū)別，f p g a 一般都是s r a m 工藝的，而c p l d 一般都是基于乘積項結(jié)構(gòu)的。 1 2 1f p g a c p l d 設(shè)計流程 一般來說，完整的f p g a c p l d 設(shè)計流程主要包括設(shè)計與輸入、設(shè)計仿真、設(shè)計綜 合、實現(xiàn)和配置下載等主要步驟，其流程圖如圖1 1 所示。 圖1 1f p g a c p l d 設(shè)計流程圖 f i g 1 1f l o w c h a r to ff p g a c p l dd e s i g n 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)計與輸入是根據(jù)設(shè)計者的設(shè)計方法將所設(shè)計的功能描述給e d a 軟件。常用的設(shè) 計方法有硬件描述語言( h d l ) 和原理圖設(shè)計輸入方法。原理圖設(shè)計輸入法的優(yōu)點是直觀、 便于理解、元件庫資源豐富，缺點是可維護性較差，不利于模塊建設(shè)與重用，而且當(dāng)選 用的芯片升級換代后，所有的原理圖都要作相應(yīng)的改動。目前進行大型工程設(shè)計時，最 常用的方法是h d l 設(shè)計輸入法，其中最為廣泛的h d l 語言是v h d l 和v e r i l o gh d l 。 波形輸入法和狀態(tài)機輸入法是兩種常用的輔助設(shè)計方法，但是這兩種方法只有在特定的 情況下才能緩解設(shè)計者的工作量，并不適合所有的設(shè)計。 電路設(shè)計完成后，要用專用的仿真工具對設(shè)計進行功能仿真，驗證電路功能是否符 合設(shè)計要求。功能仿真有時也稱前仿真。通過仿真能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的錯誤，加快設(shè)計 進度，提高設(shè)計的可靠性。 綜合優(yōu)化( s y n t h e s i z e ) 是指將h d l 語言、原理圖等設(shè)計輸入翻譯成由與、或、非門， r a m ，寄存器等基本邏輯單元組成的邏輯連接( 網(wǎng)表) ，并根據(jù)目標(biāo)與約束條件優(yōu)化所生 成的邏輯連接，輸出e d f 和e d n 等文件，供f p g a c p l d 廠家的布局布線器進行實現(xiàn)， 綜合完成后需要檢查結(jié)果是否與原設(shè)計一致，就需要做綜合后仿真。在仿真時，把 綜合生成的延時文件反標(biāo)到綜合仿真模型中去，可估計門延時帶來的影響，綜合后仿真 雖然比功能仿真精確一些，但是只能估計門延時，而不能估計線延時，仿真結(jié)果與布線 后的實際情況還有一定的差距，并不十分精確。這種仿真的主要目的在于檢查綜合器的 綜合結(jié)果是否與設(shè)計輸入一致。 根據(jù)所選芯片的型號，將綜合輸出的邏輯網(wǎng)表適配到具體的f p g a c p l d 器件上， 這一過程稱為實現(xiàn)( i m p l e m e n t a t i o n ) 過程。因為只有器件開發(fā)商最了解器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 所以實現(xiàn)步驟必須選用器件開發(fā)商提供的工具軟件。 布局布線之后做時序仿真，時序仿真中應(yīng)該將布局布線的時延文件反標(biāo)到設(shè)計中， 使仿真既包含門延時，又包含線延時信息。與前面的各種仿真相比，這種后仿真包含的 延時信息最為全面、準(zhǔn)確，能較好地反映芯片實際的工作情況。 設(shè)計開發(fā)的最后步驟是在線調(diào)試或者將生成的配置文件寫入芯片中進行測試。 1 2 2f p g a c p l d 設(shè)計工具x i | n xi s e 介紹 x i l i n x 作為當(dāng)今世界上最大的f p g a c p l d 生產(chǎn)商之一，長期以來一直推動著 f p g a c p l d 技術(shù)的發(fā)展。其開發(fā)的軟件也不斷升級換代，由早期的f o t m d a t i o n 系列逐 步發(fā)展到目前的i s e8 x 系列。i s e 是集成綜合環(huán)境的簡稱，它是x i l i n xf p g a c p l d 的 綜合性集成設(shè)計平臺，該平臺集成了從設(shè)計輸入，仿真，邏輯綜合，布局布線與實現(xiàn)、 時序分析、芯片下載和配置、功率分析等幾乎所有設(shè)計流程所需工具。限于篇幅只對 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 f p g a 設(shè)計流程涉及的常用工具加以介紹。根據(jù)設(shè)計流程與功能劃分，i s e 的集成工具 主要分為設(shè)計輸入工具、綜合工具、仿真工具、實現(xiàn)工具和輔助設(shè)計工具等5 類f 6 1 。 設(shè)計輸入是工程設(shè)計的第一步，設(shè)計輸入工具主要包括h d l 編輯器( h d le d i t 0 0 、 狀態(tài)機編輯器( s t a t e c a d ) 、原理圖編輯器( e c s ) 、i p 核生成器( c o r eg e n e r a t o r ) 和測試激勵 編輯器( h d lb e n c h e r ) 等。h d l 語言方式由于其設(shè)計重用和代碼移植性好受到廣泛應(yīng)用。 i s e 集成的綜合工具主要有s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f y s y n p l i f yp r o ，s y n o p s y s 公司 的f p g a c o m p i l e r i i e x p r e s s 和x i l i n x i s e 中的x s t 等。 i s e 集成的仿真工具主要有m o d e lt e c h 公司的仿真工具m o d e l s i m 和測試激勵發(fā)生 器h d lb e n c h e r 等。m o d e i s i m 是一個獨立的仿真工具，并且在工作的時候并不需要其 他軟件的協(xié)助，在i s e 集成開發(fā)環(huán)境中給m o d e l s i m 仿真軟件預(yù)留了接口，通過這個接 口可以從i s e 集成環(huán)境中直接啟動m o d e i s i m - l - 具進行仿真。 i s e 集成的實現(xiàn)工具主要有約束編輯器( c o n s t r a i n t se d i t 0 0 、引腳與區(qū)域約束編輯器 ( p a c e ) 、時序分析器( t i m i n ga n a l y z e r ) 、f p g a 底層規(guī)劃器( f p g ae d i t o r ) 、芯片觀察窗 ( c h i pv i e w e r ) 和布局規(guī)劃器( f l o o r p l a r m e r ) 等。 i s e 還集成了很多輔助設(shè)計工具，主要工具包括以下幾種：p r o m 配置文件分割器 ( p r o mf i l ef o r m a t t e r ) 可以完成配置文件的分割。i m p a c t 配置器可以實現(xiàn)將配置文件 下載到f p g a c p l d 或相應(yīng)的存儲器等功能。它的主要功能是下載、回讀與校驗配置數(shù) 據(jù)，生成s v f 和s t a p l 文件。功能損耗器：( x p o w e r ) 是估計設(shè)計功耗的工具。 本文中f p g a 設(shè)計采用i s e7 1 集成工具，設(shè)計輸入工具利用v e r i l o gh d l 的輸入 設(shè)計方式，采用s y n p l i c i t y 公司的s y n p l i f yp r o7 3 作為i s e 集成的綜合工具完成綜合過 程，仿真工具采用的是m o d e i s i m5 5 和i s e 自帶的測試激勵生成器h d lb e n c h e r 完成 全部仿真，從而完成了從設(shè)計輸入到綜合、布線，仿真、下載的工程。 1 2 3f p g m c p l d 的配置模式 由于f p g a 器件采用的是s r a m 工藝，在斷電的情況下f p g a 內(nèi)的配置數(shù)據(jù)就會 丟失，所以，在采用f p g a 器件的電子系統(tǒng)中通常將f p g a 的配置數(shù)據(jù)存放于其兼容的 s p r o m 中，上電時由控制電路將s p r o m 中的配置數(shù)據(jù)裝入f p g a 器件中，但是通常 的s p r o m 價格昂貴，s p r o m 芯片多為一次可編程芯片( o t p ，o n e - t i m e - p r o g r a m m a b l e ) ， 有的雖然可以多次擦寫，但調(diào)試階段f p g a 程序更新較快，所以有必要在系統(tǒng)試驗、調(diào) 試階段采用可重復(fù)使用的方式配置f p g a 。 x i l i n xf p g a 的配置共有三種模式，分別為并行( s e l e e t m a p ) 模式、串行( s c r i a l ) 模式 和邊界掃描( b o u n d a r ys c a n ) 模a t ”。本設(shè)計采用的是邊界掃描配置方法，它是j t a g 標(biāo) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 準(zhǔn) s - 9 1 ，因此，有時也稱j t a g 配置模式，該模式只有四個專用的配置信號線，分別為 t c k ( 時鐘) 、t d i ( 數(shù)據(jù)輸入) 、t o o ( 數(shù)據(jù)輸出) 和t m s ( 狀態(tài)的控制) 。j t a g 下載電纜通 過標(biāo)準(zhǔn)并口與p c 機相連，實現(xiàn)在線系統(tǒng)配置，它的構(gòu)成為：與p c 機并口相連的2 5 針 插座，與目標(biāo)p c b 板插座相連的6 針插座和2 5 針到6 針的變換電路。下載時，將下載 電纜連到p c b 板上，就可以非常方便的實現(xiàn)在線系統(tǒng)配置，大大方便了電路的調(diào)試。 x i l i n x 公司的所有c p l d 產(chǎn)品均支持j t a g 方式的下載，其由于為r o m 型，所以 其配置文件掉電不丟失，而且其擴展的j t a o 指令集允許對編程模式和在系統(tǒng)調(diào)試進行 控制，最少1 0 0 0 0 次的編程擦除周期可實現(xiàn)系統(tǒng)區(qū)的重新配置和升級。 1 2 4v e r | o gh d l 與v h d l 的比較 隨著e d a 技術(shù)的發(fā)展，使用硬件描述語言設(shè)計c p l d f p g a 成為一種趨勢。目前 最主要的硬件描述語言是v h d l 和v e r i l o gh d l 1 0 1 。v h d l 發(fā)展的較早，語法嚴(yán)格，是 一種全方位的語言，包括從系統(tǒng)到電路的所有層次設(shè)計，在描述風(fēng)格上支持結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù) 流和行為三種形式的描述方式。而v e r i l o g h d l 是在c 語言的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種硬 件描述語言，語法較自由，用于從算法級、門級到開關(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系 統(tǒng)建模。它們的共同特點是利于由頂向下設(shè)計，利于模塊的劃分與復(fù)用，可移植性好， 通用性好，設(shè)計不因芯片的工藝與結(jié)構(gòu)的變化而變化，更利于向a s i c 的移植。 v e r i l o g h d l 語言已經(jīng)有2 0 多年的歷史了，因此v e r i l o g h d l 擁有廣泛的設(shè)計群體， 成熟的資源比v h d l 豐富。同時v e d l o gh d l 是從c 語言發(fā)展而來的，相比v h d l 更 容易上手，其編程風(fēng)格也更加簡潔明了，是一種非常容易掌握的硬件設(shè)計語割“】。作為 專用集成電路( a s i c ) 設(shè)計人員，則必須首先掌握v e r i l o gh d l ，因為在i c 設(shè)計領(lǐng)域，9 0 以上的公司都是采用v e r i l o gh d l 進行i c 設(shè)計。在本文中選用v e r i l o gh d l 進行 f p g a c p l d 的應(yīng)用開發(fā)。 1 3 本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文主要對光電分選機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了研究，它以高分辨率、低噪聲的線陣 c c d 器件為核心，以x i l i n x 公司的f p g a 芯片x c 3 s 5 0 作為主控制器和處理器，通過 e p p 協(xié)議與計算機并口進行通信。本文是按照數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)過 程來安排的。 論文的結(jié)構(gòu)安排如下： 第1 章在對光電分選機及其研究意義做了簡要的介紹以后，詳細的介紹了 f p g 刖p l d 技術(shù)及其開發(fā)環(huán)境。 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 第2 章詳細地闡述了c c d 的工作原理，并對c c d 器件的噪聲進行了分析與抑制， 然后論討了本課題應(yīng)用線陣c c d 的原因。 第3 章在詳細介紹了光電分選機系統(tǒng)工作原理及其系統(tǒng)組成后，介紹了數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。 第4 章介紹了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中各個模塊的具體設(shè)計與實現(xiàn)過程。分析了c c d 驅(qū)動 電路設(shè)計與實現(xiàn)、c c d 輸出信號處理電路的設(shè)計與實現(xiàn)、c c d 存儲系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)、 通信電路的硬件設(shè)計以及系統(tǒng)電源電路的實現(xiàn)。 第5 章對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)的傳輸與顯示進行了詳細的介紹。簡單介紹了相機板與主控制 器之間的通信的實現(xiàn)。重點介紹了基于e p p 模式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示的實現(xiàn)過程：給出 了e p p 并口的工作模式與e p p 接口實現(xiàn)的軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)方法；并采用f p g a 技術(shù) 實現(xiàn)了一幀數(shù)據(jù)的傳送。 第6 章在簡單介紹了系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計以后，詳細的介紹了系統(tǒng)的各個模塊的調(diào)試 與分析過程，并給出了示波器波形和上位機數(shù)據(jù)采集顯示波形。 論文最后對全文進行了的總結(jié)，并提出了下一步的研究方向。 一6 一 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2c c d 的特點及應(yīng)用 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，電荷耦合器件，是2 0 世紀(jì)7 0 年代初發(fā)展起來的新 型半導(dǎo)體集成光電器件。它是由美國貝爾實驗室的w s b o y e r 與g e s m i m 于1 9 7 0 年提 出的，是在大規(guī)模硅集成電路工藝的基礎(chǔ)上研制而成的模擬集成電路芯片i l ”。 美國是最早開展c c d 技術(shù)研究的國家，也是目前投入人力、物力和財力最多的國家， 在此應(yīng)用研究領(lǐng)域一直保持領(lǐng)先的地位i ”l 。日本是目前世界上c c d 的生產(chǎn)大國，其產(chǎn)量 居世界之首。日本政府非常重視c c d 技術(shù)的開發(fā)和研究，法國也是開展c c d 技術(shù)研究較 早的國家之一，加拿大d a l s a 公司、英國通用電氣公司( g e c ) 和荷蘭的菲利普( p h i l i p s ) 公司在c c d 技術(shù)的研究與開發(fā)方面也很著名。我國研$ 9 c c d 的單位也較多，其中以機電 部4 4 所和1 3 所水平較高，但與國外相比差距較大。 c c d 技術(shù)是一項具有廣泛應(yīng)用前景的新技術(shù)，三十多年來，由于c c d 具有自掃描、 高分辨率、高靈敏度、重量輕、體積小、像素位置準(zhǔn)確、耗電少、壽命長、可靠性好、 信號處理方便、易于與計算機配合等優(yōu)點，c c d 器件的研究及其應(yīng)用取得了驚人的進展 【。人們對它在攝像、信號處理和存儲三大領(lǐng)域的應(yīng)用十分重視，特別是在圖像傳感器 應(yīng)用方面發(fā)展迅速，己成為現(xiàn)代光電子學(xué)與現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍、最富有成果的新興 領(lǐng)域之一。 2 1c c d 工作原理 c c d 的突出特點是以電荷作為信號，而不同于其他大多數(shù)器件是以電流或者電壓 為信號。c c d 的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移，因此c c d 在工作過程中的主要 問題是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測。一個完整的c c n 器件由光敏單元、轉(zhuǎn)移 柵，移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。c c d 工作時，在設(shè)定的積分時間內(nèi) 由光敏單元對光信號進行取樣，將光的強弱轉(zhuǎn)換為各光敏單元的電荷多少，取樣結(jié)束后 各光敏元電荷由轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動時鐘的作用 下，將信號電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端i l ”。 ( 1 ) 電荷的產(chǎn)生與存儲 構(gòu)成c c d 的基本單元是半導(dǎo)體m o s 結(jié)構(gòu)( 金屬一氧化物一半導(dǎo)體) 。如圖2 1 所示。 在一定的偏壓下，m o s 結(jié)構(gòu)成為可存儲電荷的分立勢阱。當(dāng)在柵極上加正偏壓u 。后， 半導(dǎo)體的空穴被排空，產(chǎn)生耗盡區(qū)( 此時u 。小于半導(dǎo)體的閾值電壓u 。) 。當(dāng)u 。 u 自時， 半導(dǎo)體與絕緣體表面上的電勢很高，以至于將半導(dǎo)體體內(nèi)的電子吸引到表面，形成一層 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 極薄但電荷濃度很高的反型層，如圖2 1 ( c ) 所示，反型層的存在表明了m o s 結(jié)構(gòu)存儲電 荷的基本功能。 胃甫審 p 型串爭雄 嗨簿摯0v ( a ) 玩e q 岬斑蟮船” 耗搭瞪 t k , 小予玩 晦t m d e x 嗨 圖2 1 單個c c i ) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 2 1s i n g l ec c d i n n e rs t r u c t u r e 髭壁麓 ( c ) u 大干魄 ( c ) b e - y m d t h 光照射到c c d 硅片上時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流 子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。信號電荷產(chǎn)生數(shù)量的 多少，直接與入射光的強度及硅片曝光時間成正比。 ( 2 ) 電荷的轉(zhuǎn)移 所謂電荷轉(zhuǎn)移，就是指m o s 結(jié)構(gòu)勢阱中的電荷從一個電極移向另一個電極的過程， 如圖2 2 所示。取四個彼此靠得很近的電極來觀察。開始時有一些電荷存儲在偏壓為1 0 v 的第二個電極下的勢阱中，其他電極上均加有大于閾值的較低電壓( 例如2 v ) 。( a ) 為零 時刻，( b ) 為t l 時刻，第二個電極仍保持為1 0 v ，第三個電極上的電壓由2 v 變到1 0 v ， 由于電極之間距離很小( 只有幾個微米) ，它們對應(yīng)的勢阱將合并在一起，原來的第二個 電極下的勢阱中的電荷將為兩個勢阱所共有，如圖( c ) 。此后電極上的電壓變?yōu)? d ) 所示。 第二個電極電壓由1 0 v 變成2 v ，第三個電極電壓仍為1 0 v ，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三 個電極下面的勢阱中，如圖( e ) 。此時深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。 將一定規(guī)則變化的電壓加到c c d 的各電極上，電極下的電荷包就能沿半導(dǎo)體表面 按一定方向移動。通常把c c d 電極分為幾組，每一組為一相，并施加同樣的時鐘脈沖， 這樣就實現(xiàn)了電荷在勢阱中的轉(zhuǎn)移。用三相時鐘驅(qū)動的c c d 稱為三相c c d ，如圖( f ) 為 三相c c d 所需施加的時鐘脈沖。在這里需要提及轉(zhuǎn)移效率的問題，c c d 像元多，所需 的轉(zhuǎn)移次數(shù)也多。由于界面態(tài)及s i 表面缺陷等因素的影響，電荷包都會殘留一些電荷， 為了取得高轉(zhuǎn)移率，在結(jié)構(gòu)上可以采取體內(nèi)溝道c c d 技術(shù)。在本文中采用了p 溝道的 c c d ，提高了器件的工作頻率，降低了器件的噪聲。 一8 一 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 國固 2 v1 0 v2 v 2 y 奇串牟 。 凌杰應(yīng)花復(fù)芝蘢壁型歷 叵p 存有龜荷 的勢阱 ( a ， o 2 弓1 0 字v 護v 矽 虛復(fù)型型受埕發(fā)趁夏歷 磁苞巹翻一 ( d ) 電旖咎動 2 v 1 0 v 2 i o v 2 v 寧999 尤蘢蘢之統(tǒng)墟曩昆殤 飛泌二辨 ( b ， oo 囝 2 v2 vt o y2 v 尤垂愛蘢毫盛差施 醫(yī)西 c e ) ( 1 3 2 vl o vi o v2 v 虛差丕杰曼芝羞瘍 k 盤必d 一 ( c ) ln 黔2 v t 3 ：3 ：c ：) = 七：3 ：3 ：= ：口 ( f 圖2 2 三相c c d 電荷的轉(zhuǎn)移過程 f i g 2 2c h a r g et r a n s f e rp r o c e s so f t r i p l ep h a s ec c d ( 3 ) 電荷的輸出 c c d 的最后一個柵極、輸出柵、輸出二極管分別相當(dāng)于m o s 管的源、柵、漏。c c d 最后一個柵極中的電荷包通過輸出柵形成的“溝道”進入到輸出二極管，然后通過一個 輸出耦合電路將調(diào)制在電荷包上的信息檢測出來。c c d 電荷的讀出多采用選通電荷積 分器結(jié)構(gòu)，以三相c c d 為例說明電荷讀出波形，如圖2 3 所示。圖2 - 3 ( a ) 為c c d 輸出 電路結(jié)構(gòu)；圖2 3 0 ) 為c c d 輸出波形；圖中a 表示復(fù)位電壓，b 表示饋通電壓，c 表示 參考電壓，d 表示信號電壓。 ( a ) c e i ) 輸出電路結(jié)構(gòu) ( b ) o c d 輸出波形 圖2 3c c d 輸出電路結(jié)構(gòu)與輸出信號波形 f i g 2 3t h eo u t p u tc i r c u i ts t r u c t u r ea n do u t p u ts i g n a lw a v e f o r mo f c c d t 2 的輸出電平v j 。被復(fù)位到一個固定的略低于v 的正電平上，此電平稱為復(fù)位電 平。當(dāng)中。正脈沖結(jié)束后，王截止，由于t l 存在一定的漏電流，這漏電流在l 上產(chǎn)生一 一9 一 光電分選機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究 個小的管壓降，使輸出點有一個下跳，其下跳值稱為饋通電壓。當(dāng)。為正時，d ，也處 于高電位，信號電荷被轉(zhuǎn)移到中，下的勢阱中，由于輸出柵壓v o 。是一個比中，低的正電 壓，因此信號電荷仍被保持在o ，勢阱中，但隨著中。正脈沖結(jié)束，并變得低于v o 。電平 時，這時信號電荷進入電容c 后，立即使a 點電位下降一個與信號電荷量成正比的電 壓，即信號電荷越多，a 點電位下降越多。與此相應(yīng)，t 2 輸出電平v 0 。也隨之下降，其 下降幅度才是真正的信號電壓，c c d 輸出信號波形如圖2 3 ( b ) 所示。 2 2g o d 器件的噪聲及其抑制方法 c c d 圖像傳感器的輸出信號是空間采樣的離散模擬信號，其中夾雜著各種噪聲和 干擾。c c d 輸出信號處理的目的是在不損失圖像細節(jié)并保證在c c d 動態(tài)范圍內(nèi)，圖像 信號隨目標(biāo)亮度線性變化時盡可能消除這些噪聲和干擾。為了提高信噪比，必須對c c d 輸出噪聲種類、特性有所了解，然后才能有針對性地對噪聲進行抑制。c c d 器件在光 注入引入的噪聲主要是光子散粒噪聲，在電荷轉(zhuǎn)移時引入的噪聲主要是界面態(tài)的俘獲噪 聲，c c d 的輸出噪聲主要是指復(fù)位噪聲，此外c c d 還存在暗電流噪聲、低頻噪聲( 1 噪 聲l 廠2 噪聲) 和高頻噪聲。以下是c c d 輸出的主要噪聲和抑制方法【l5 - 1 6 1 ： f 1 ) 教粒噪聲 光注入光敏區(qū)產(chǎn)生信號電荷的過程可看作獨立、均勻連續(xù)發(fā)生的隨機過程，單位時 間產(chǎn)生的光產(chǎn)生電荷數(shù)目并非絕對不變，而是在一個平均值上作微小波動，這一微小的 起伏便形成散粒噪聲。散粒噪聲與頻率無關(guān)，在很寬的頻率范圍內(nèi)都有均勻的功率分布， 所以散粒噪聲通常又稱為白噪聲。應(yīng)用傳統(tǒng)的基于傅氏變換的信號去噪方法，在處理信 號和噪聲的頻帶重疊部分盡可能小時，可以使信號在頻域內(nèi)通過而噪聲不通過的方法起 到濾波的作用，但當(dāng)信號和噪聲的頻帶重疊部分很大時，這種方法就無能為力了。一種 更好的方法是利用小波理論，構(gòu)造一種既能降低圖像噪聲又能保持圖像細節(jié)信息的算 法。這種方法需要使用d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) , e 片或計算機進行處理。 ( 2 ) 暗電流噪聲 圖像傳感器體內(nèi)和表面不可避免地含有雜質(zhì)，由于熱激發(fā)使它們產(chǎn)生的電子被勢阱 單元捕獲，這些熱激發(fā)電子噪聲被描述成暗電流噪聲，在應(yīng)用中對器件采取制冷措施， 當(dāng)溫度降到3 0 c 5 0 c 時，賭電流噪聲就小到無足輕重的程度。也可以事先對一白背景 成像，獲得的圖像分布即為暗電流噪聲，在以后獲取的圖像中減去這一圖像分布，基本 上就可以消除暗電流噪聲。 ( 3 ) 復(fù)位噪聲 復(fù)位噪聲的產(chǎn)生于c c d 輸出結(jié)構(gòu)有關(guān)，通常產(chǎn)生于浮置擴散輸出結(jié)構(gòu)的c c d 中。如 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 ( a ) 。一次信號的讀取都以單個電荷包的形式出現(xiàn)在放大器的柵節(jié)點上。每個信號 電荷包產(chǎn)生的電壓變化被讀出后，輸出m o s f e t 的柵節(jié)點需加以復(fù)位。當(dāng)復(fù)位脈沖到來 時，復(fù)位管m o s f e t 導(dǎo)通，導(dǎo)通溝道電阻r o n 產(chǎn)生的電阻熱噪聲加在電容c 兩端。復(fù)位過 程等效于漏電壓通過電阻r o n 對電容c 充電。由于電阻熱噪聲的影響，每一次復(fù)位操作 都將產(chǎn)生復(fù)位噪聲。 在c c d 數(shù)據(jù)采集的設(shè)計中，要盡可能地采集到精確的c c d 信號，并降低c c d 的 噪聲。復(fù)位噪聲是c c d 輸出的主要噪聲，采用相關(guān)雙采樣c d s ( c o r r e l a t e x ld o u b l e s a m p l i n g ) 技術(shù)進行抑制，它不僅可以較好的濾除復(fù)位噪聲，而且對c c d 的1 f 噪聲也 有一定的濾除作用，因此被廣泛地用于c c d 圖像傳感器輸出視頻信號電路中。下面將 從理論分析角度介紹相關(guān)雙采樣技術(shù)如何抑制復(fù)位噪聲i l ”。 c c d 的信號輸出波形如圖2 4 所示。收集電容根據(jù)信號電荷的數(shù)目形成視頻電壓信 號，f e t 消除在t o 至u t l 復(fù)位脈沖期間因收集電容直接連到參考電壓而形成的信號。從t 3 時 刻又周期性的開始進行同樣的操作。脈沖反饋到輸出，但是在復(fù)位脈沖結(jié)束時迅速建立 到復(fù)位電平v r s r 。在此之后的t 2 時刻，信號到達輸出節(jié)點，輸出電平建立為v f x l ，這是 從復(fù)位電平減去v s l 0 的值，v r s r 和v p x i 之問的差值就表現(xiàn)了視頻信號自身的幅值。f 1 f 2 期間采樣信號為陳a m p l e l ，t 2 t 3 期間采樣信號為v s a u 眥2 。設(shè) 玨a h 眥l = v r s t ( 2 1 ) v s a m p l e 2 = v p x l = v m t - v s i g ( 2 2 ) 則由式( 2 1 ) 與( 2 2 ) 可以得到： v o l r r = v s a m p l e i v s 腳l e 2 = v s l 0 ( 2 3 ) ， ，i ， 圖2 4c c o 輸出波形圖 f i g 2 4c c do u t p