摘要：安全防范系統(tǒng)中，圖像的生成當(dāng)前主要是來(lái)自CCD相機(jī)，CCD是電荷耦合器件(chargecoupleddevice)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它能夠?qū)⒐饩€變?yōu)殡姾刹㈦姾纱鎯?chǔ)及轉(zhuǎn)移，也可將存儲(chǔ)之電荷取出使電壓發(fā)生變化。文章發(fā)表在《科學(xué)學(xué)研究》上，是天文論文發(fā)表范文，供同行參考。

　　關(guān)鍵詞：CCD,CPLD,相關(guān)雙采樣,控制系統(tǒng),串口通信

　　電荷耦合器件是理想的CCD相機(jī)元件，以其構(gòu)成的CCD相機(jī)具有體積小、重量輕、不受磁場(chǎng)影響、具有抗震動(dòng)和撞擊之特性而被廣泛應(yīng)用。詳細(xì)介紹紫金山天文臺(tái)紅外實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(shí)序要求，用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)了CCD的時(shí)序;采用相關(guān)雙采樣技術(shù)降低探測(cè)信號(hào)噪聲;用89C51作下位機(jī)控制，通過(guò)RS232與上位計(jì)算機(jī)通信;系統(tǒng)控制軟件采用Visual C++編寫(xiě)。

　　引言

　　國(guó)內(nèi)各天文臺(tái)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(jià)格昂貴，因此國(guó)內(nèi)迫切需要發(fā)展自己的CCD技術(shù)。紫金山天文臺(tái)紅外實(shí)驗(yàn)室對(duì)這一課題進(jìn)行了深入研究，廣泛調(diào)研，認(rèn)真選取，從芯片開(kāi)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(dòng)態(tài)范圍大(70dB)，電荷轉(zhuǎn)移效率高(0.999 99)，波長(zhǎng)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(mǎn)足科學(xué)觀測(cè)的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測(cè)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是解決CCD芯片的驅(qū)動(dòng)和系統(tǒng)噪聲的問(wèn)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(cè)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(shí)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(guò)RS232與計(jì)算機(jī)串口通信，接受計(jì)算機(jī)的控制。整個(gè)系統(tǒng)由圖1所示幾個(gè)功能部件組成。

　　1.1 時(shí)序信號(hào)發(fā)生電路

　　KAF-0401LE芯片的時(shí)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(kāi)始φV1的第2個(gè)脈沖下降沿后，要有1個(gè)行轉(zhuǎn)移建立時(shí)間tφHs，讀完行后需延遲1個(gè)像素時(shí)間te才開(kāi)始下一行φV1脈沖;同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開(kāi)始下一行轉(zhuǎn)移，如此直到讀完1幀。

　　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(mǎn)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(dòng)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。

　　RSL是CCD復(fù)位電平，光信號(hào)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(hào)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(duì)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)，CCD信號(hào)分別經(jīng)過(guò)同相和反相放大器連到模擬開(kāi)關(guān)輸入端。模擬開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)時(shí)，RSL通過(guò)電容積分;s2打開(kāi)時(shí)，SGL信號(hào)經(jīng)電容積分;s3打開(kāi)輸入端接地，信號(hào)保持不變;s4為復(fù)位開(kāi)關(guān)。

　　CCD，英文全稱(chēng)：Charge-coupled Device，中文全稱(chēng)：電荷耦合元件，可以稱(chēng)為CCD圖像傳感器。CCD是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

　　天文核心期刊發(fā)表：《科學(xué)學(xué)研究》雜志為中國(guó)科學(xué)學(xué)與科技政策研究會(huì)創(chuàng)辦，并與中國(guó)科學(xué)院科技政策與管理科學(xué)研究所、清華大學(xué)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)研究中心合辦的綜合性學(xué)術(shù)期刊。主要發(fā)表科學(xué)學(xué)、科技政策、科技管理方面具有一定理論見(jiàn)解和研究水平的學(xué)術(shù)論文、調(diào)查報(bào)告和典型案例，以推動(dòng)創(chuàng)新研究，促進(jìn)學(xué)術(shù)交流為主旨。從2001年起，本刊被列入國(guó)家科技部中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊。