7.3線陣CCD視頻信號(hào)的A/D數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口線陣CCD輸出信號(hào)是以轉(zhuǎn)移脈沖為周期的時(shí)序調(diào)幅脈沖信號(hào)。1.數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)接口的原理以總線接口方式為例討論線陣CCD的數(shù)據(jù)采集原理。線陣CCD輸出信號(hào)數(shù)據(jù)采集原理如圖7-11示。2.典型PC總線A/D數(shù)據(jù)采集卡（1）AD16-2K型數(shù)據(jù)采集計(jì)算機(jī)接口卡如圖7-12所示，為適用于各種2048像元線陣CCD的16位A/D數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集卡。由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成可用3-8譯碼器實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器同步控制器譯碼器接口電路ADC700為16位高精度的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器件。具有轉(zhuǎn)換精度高（非線性誤差不大于±0.006FSR），轉(zhuǎn)換速度快（轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于17μs）的特點(diǎn)，內(nèi)部采樣保持器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、三態(tài)輸出電路等單元，是適用于利用線陣CCD進(jìn)行光譜探測(cè)的性能優(yōu)良的A/D轉(zhuǎn)換器件。圖7-13ADC700內(nèi)部構(gòu)成與管腳定義注意，2種輸入量程分段輸出16位數(shù)據(jù)高低字節(jié)的控制串、并輸出的控制啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器需要滿足的條件是：CS及WR要同時(shí)有效。如圖7-14所示。圖7-14AD700啟動(dòng)時(shí)序CS要先于WR時(shí)間t1AD一旦啟動(dòng)狀態(tài)脈沖便延遲t2改變t3為器件轉(zhuǎn)換所需時(shí)間狀態(tài)脈沖升高后t6后可讀取數(shù)據(jù)可用作讀數(shù)標(biāo)志通過(guò)軟件“查詢”或“中斷”等方式發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換完成后便進(jìn)入讀數(shù)（數(shù)字輸出）階段。圖7-15所示為AD700并行輸出波形圖。并行輸出時(shí)需要發(fā)出CS與RD同時(shí)有效，并設(shè)置HBER為低電平，先讀取高8位字節(jié)數(shù)，然后再讀取低8位字節(jié)數(shù)。針對(duì)RL2048DKQ線陣CCD的16位AD數(shù)據(jù)采集卡的工作波形圖如圖7-16所示。CS要先于RD時(shí)間t12用Status作完成標(biāo)志屬于自由時(shí)間（2)AD8-H型高速線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡利用8位高速A/D轉(zhuǎn)換器件CA3318CE可以組成AD8-H型高速線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡。采用PC總線接口方式的AD8-H型數(shù)據(jù)采集卡的基本性能參數(shù)為：①分辨率為8位；②數(shù)據(jù)率為500kHz～2MHz；③卡上內(nèi)存容量為32kB～2MB；④適應(yīng)范圍為512至7500像元的各種線陣CCD的數(shù)據(jù)采集。高速線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡的基本工作原理如圖7-17所示。圖7-17圖7-17AD8-H型高速線陣CCD數(shù)據(jù)采集原理框圖(3)多個(gè)線陣CCD的并行數(shù)據(jù)采集卡針對(duì)多個(gè)線陣CCD采集多個(gè)相關(guān)目標(biāo)的相關(guān)行為尺寸與狀態(tài)的問(wèn)題需要并行采集同一積分時(shí)間內(nèi)多個(gè)線陣CCD的信號(hào)。多個(gè)線陣CCD的并行數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵是要對(duì)多個(gè)線陣CCD實(shí)行同步驅(qū)動(dòng)。能夠?qū)崿F(xiàn)同步驅(qū)動(dòng)的電路原理框圖如圖7-18所示。如圖7-19所示，為4個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的并行A/D數(shù)據(jù)采集接口卡原理方框圖。圖7-18同步驅(qū)動(dòng)原理圖圖7-20為4路線陣CCD（5000像元）的12位A/D并行數(shù)據(jù)采集的一行信號(hào)的光強(qiáng)度分布曲線圖。圖7-20四個(gè)線陣CCD的像元照度分布曲線3.PCI總線連接器如圖7-21所示為4種PCI總線規(guī)范的接口連接器（插入卡）。其中以5V32位的插槽最為常見(jiàn)。在利用PCI總線接口插槽設(shè)計(jì)PCI總線數(shù)據(jù)采集卡之前應(yīng)該熟悉其管腳的功能。（1）PCI時(shí)鐘信號(hào)（CLK）時(shí)鐘信號(hào)的上升沿采樣PCI設(shè)備的所有輸入信號(hào)，PCI時(shí)序參數(shù)依據(jù)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿確定。PCI總線上的所有操作必須與PCI時(shí)鐘信號(hào)同步，2.X版PCI規(guī)范規(guī)定，所有的PCI設(shè)備（只有一項(xiàng)例外）必須支持在0～33MHz的PCI操作。圖7-21（2）AD總線（AD[0~31]）PCI地址和數(shù)據(jù)復(fù)用的地址總線，它的基本功能是加載操作起始地址，同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。（3）命令或字節(jié)使能總線（C/BE[0~3]）定義了PCI操作的交易類型，由PCI主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，它指明了當(dāng)前尋址的雙字中傳送的字節(jié)和用于傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)通道。（4）奇偶校驗(yàn)信號(hào)（PAR）在地址段完成后的一個(gè)時(shí)鐘周期，或者在寫交易的每個(gè)數(shù)據(jù)段中IRDY#有效之后的一個(gè)時(shí)鐘周期，主設(shè)備驅(qū)動(dòng)奇偶校驗(yàn)信號(hào)PAR，在讀交易的每個(gè)數(shù)據(jù)TRDY#有效后的一個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)前尋址目標(biāo)也驅(qū)動(dòng)PAR信號(hào)。該信號(hào)必須完整地通過(guò)整個(gè)AD總線和C/BE總線，以確保傳輸?shù)刂泛蛿?shù)據(jù)的準(zhǔn)確。（5）周期幀信號(hào)（FRAME#）由當(dāng)前主控設(shè)備驅(qū)動(dòng)，指明諸如數(shù)據(jù)讀寫交易的起始和交易持續(xù)的時(shí)間。（6）目標(biāo)準(zhǔn)備信號(hào)（TRDY#）由當(dāng)前尋址目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)目標(biāo)準(zhǔn)備完成當(dāng)前數(shù)據(jù)傳送時(shí)，此信號(hào)有效。在讀交易中，有效的TRDY#表明目標(biāo)正在數(shù)據(jù)總線上驅(qū)動(dòng)有效數(shù)據(jù)；在寫交易中，有效的TRDY#信號(hào)表明目標(biāo)正準(zhǔn)備接收來(lái)自主設(shè)備的數(shù)據(jù)。（7）起動(dòng)方準(zhǔn)備信號(hào)（IRDY#）由當(dāng)前總線主設(shè)備驅(qū)動(dòng)。在寫交易中，有效的IRDY#信號(hào)表明主設(shè)備正準(zhǔn)備接收來(lái)自當(dāng)前尋址目標(biāo)的數(shù)據(jù)。（8）設(shè)備選擇信號(hào)（DEVSEL#）當(dāng)目標(biāo)設(shè)備譯出它的地址時(shí)，該信號(hào)有效。如果一個(gè)主設(shè)備起動(dòng)一個(gè)交易并且在6個(gè)CLK周期內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到該信號(hào)有效，它必須假定目標(biāo)沒(méi)有反應(yīng)或者地址不存在，導(dǎo)致交易失敗。（9）總線仲裁信號(hào)（GNT#）當(dāng)總線仲裁器確定主設(shè)備使用總線時(shí)，它使主設(shè)備的GNT#線有效。仲裁器可以在任意PCI時(shí)鐘期間使主設(shè)備的GNT#無(wú)效。主設(shè)備必須保證在它希望起動(dòng)一次交易的時(shí)鐘上升沿使GNT#有效。（10）中斷輸入信號(hào)（INTA#～I(xiàn)NTD#）PCI總線接口的中斷輸入信號(hào)。4.基于PCI總線的A/D數(shù)據(jù)采集卡基于PCI總線的A/D數(shù)據(jù)采集卡常采用兩種方式設(shè)計(jì)。（1）傳統(tǒng)方式采用高性能FPGA或者CPLD，按照PCI總線規(guī)范中的時(shí)序要求自行編制接口協(xié)議，產(chǎn)品定型后可以采用定制專用芯片批量生產(chǎn)。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是大批量生產(chǎn)，成本低廉，功能靈活，可以按照設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。缺點(diǎn)是研發(fā)周期長(zhǎng)，定型后更改設(shè)計(jì)難。（2）采用PCI總線接口芯片很多廠家將不同功能的PCI總線接口規(guī)范固化形成特定的芯片提供給用戶，大大縮短用戶的開(kāi)發(fā)周期。例如PCI9052器件是一種常用的PCI總線接口芯片。PCI9052器件是美國(guó)PLX公司生產(chǎn)的PCI接口芯片，它完全兼容PCI2.1規(guī)范，提供高速局部總線接口和PCI總線接口，支持中斷操作和直接目標(biāo)傳輸，最高可以提供132MB/S的傳輸通過(guò)率。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖7-23所示。它由PCI總線接口信號(hào)組、局部總線接口信號(hào)組、EPROM接口信號(hào)組、ISA模式信號(hào)組等4部分構(gòu)成。圖7-23PCI9052總線控制器結(jié)構(gòu)圖用AD1672器件為A/D轉(zhuǎn)換器件，最高采樣頻率高可達(dá)3MHz，采用PCI9052接口器件，再用一片大容量CPLD器件作為局部總線和時(shí)序產(chǎn)生電路，就可以完成線陣CCD的高速實(shí)時(shí)A/D數(shù)據(jù)的采集。該采集卡能自適應(yīng)于像元數(shù)目為128～10550像元的多種線陣CCD輸出信號(hào)的數(shù)據(jù)采集工作?；驹砜驁D如圖7-24所示。PCI9052由程序控制器E2PROM與局部時(shí)鐘控制，進(jìn)行軟硬件信息交流，完成計(jì)算機(jī)軟件對(duì)A/D數(shù)據(jù)采集卡的控制與操作。將線陣CCD的輸出信號(hào)、行與像元同步脈沖送入采集卡（圖中未標(biāo)出）便可以完成多種型號(hào)線陣CCD的數(shù)據(jù)采集。5.基于PCI-E總線的A/D數(shù)據(jù)采集卡（1）PCI-E總線簡(jiǎn)介PCI-Express（簡(jiǎn)稱PCI-E）是最新的總線和接口標(biāo)準(zhǔn)，由英特爾提出的，意思是它代表著下一代I/O接口標(biāo)準(zhǔn)。圖7-25為計(jì)算機(jī)主板上的PCI-E插槽，左面較長(zhǎng)的槽為X16的PCI-E插槽，右面為X1的PCI-E插槽。線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡通常采用X1短槽。PCI-E接口插槽包括X1、X4、X8及X16，等模式。圖7-25為計(jì)算機(jī)主板上的PCI-E插槽，左面較長(zhǎng)的槽為X16的PCI-E插槽，右面為X1的PCI-E插槽。線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡通常采用X1短槽。圖7-25計(jì)算機(jī)主板上的PCI-E插槽（2）基于PCI-E總線的A/D數(shù)據(jù)采集卡特點(diǎn)如圖7-26所示為能夠擴(kuò)展到4路同步輸入的8位線陣CCD輸出信號(hào)的采集卡。圖7-26能夠擴(kuò)展到4路線陣CCD的8位數(shù)據(jù)采集卡（3）工作原理簡(jiǎn)介PCI-EA/D數(shù)據(jù)采集卡的工作原理方框圖如圖7-27所示，其左側(cè)為與線陣CCD通信的接口，將線陣CCD的輸出信號(hào)、像元同步信號(hào)和行同步控制信號(hào)送入采集卡，使采集卡內(nèi)的8~16bitA/D轉(zhuǎn)換器始終與線陣CCD保持同步。圖7-27PCI-E線陣CCD數(shù)據(jù)采集卡原理框圖思考題與習(xí)題7解題思路7.4題，需要掌握FC、SP脈沖在線陣CCD驅(qū)動(dòng)器中的作用，再考慮A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器與讀寫數(shù)據(jù)操作都需要與CCD同步工