用于天文观测的CCD相机系统的研究

摘要：详细介绍紫金山天文台红外实验室开发的CCD相机系统的软硬件设计。根据柯达CCD芯片KAF-0401LE的时序要求，用复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现了CCD的时序；采用相关双采样技术降低探测信号噪声；用89C51作下位机控制，通过RS232与上位计算机通信；系统控制软件采用Visual C++编写。 关键词：CCD CPLD 相关双采样 控制系统 串口通信 引言 CCD通常分为3个等级；商业级、工程级和科学级。3个级别的要求一级比一级高。衡量CCD的性能主要从以下几个方面：量子效率和响应度、噪声等效功率和探测度，即动态范围和电荷转移效率等。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测，已成为望远镜测必不可少的后端设备。国内各天文台望远镜终端都是从外围引起的成套设备，使用和维护很不方便，并且价格昂贵，因此国内迫切需要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室对这一课题进行了深入研究，广泛调研，认真选取， 从芯片开始一直到系统的软硬件设计，搭建了自己的CDD相机系统。 1 系统设计 CCD芯片决定相机系统的性能，为此我们广泛调研，最后选定柯达公司的KAF-0401LE芯片。它动态范围大（70dB），电荷转移效率高（0.999 99），波长响应范围宽（0.4μm～1.0μm），低暗电流（在25℃条件下，7pA/cm2），量子效率为35%，并且具有抗饱和性，能够满足科学观测的要求，既可用于光谱分析，又可用于成像观测。 系统设计的重点是解决CCD芯片的驱动和系统噪声的问题。我们的设计如下：采用柯达公司的KAF-0401LE芯片作为探测器，Ateml公司的带闪存Flash的89C51作下位机控制器，复杂可编程逻辑作（CPLD）作时序发生和地址译码，采用相关双采样技术降低噪声，自带采样保持的12位A/D转换顺AD1674进行模数转换，扩展8片128Kbit（628128）的RAM作1为帧图像暂存空间，通过RS232与计算机串口通信，接受计算机的控制。整个系统由图1所示几个功能部件组成。 1.1 时序信号发生电路 KAF-0401LE芯片的时序要求：积分期间φV1、φV2保持低电平；行转移期间φH1保持高电平，φH2保持低电平。每行开始φV1的第2个脉冲下降沿后，要有1个行转移建立时间tφHs，读完行后需延迟1个像素时间te才开始下一行φV1脉冲；同样，φV1第2分脉冲下降沿后，开始下一行转移，如此直到读完1帧。 复杂可编程逻辑器件（CPLD）以其高度集成、灵活、方便的特点，在电路设计中运用越来越广泛。Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM712SLC84-15具有2500个可用逻辑门，128个宏单元，8个逻辑块，最大时钟可达147.1MHz，带有68个可供用户使用的I/O引脚，PLCC封装，可通过JTAG接口实现在线编程。我们选用EMP7128SLC84-15，通过硬件描述语言（VHDL）在集成开发环境MAX PLUS II下完成逻辑设计；编译后，通过JTAG接口下载到电路板上的EPM7128SLC84-15中，实现了KAF-0401LE芯片的时序要求。 MAX PLUS II虽然有很丰富的元件库，但并不是针对某一应用而开发的，具有通用性，调用它固有的元件库可能造成资源的浪费，没有必要。因此我们按照需求，编制了自己的元件库，然后在程序中作为元件调用。在本系统中，仅用1片EPM7128LC84-15就实现了CCD的时序要求、暂存RAM和接口扩展芯片8255的片选和地址译码，既简化耻电路的硬件设计，提高了系统可靠性，又降低了成本。交流时序条件要求如表1所列。 表1 描 述 符号 最小值 正常值 最大值 φH1、φH2时钟频率/MHz fH 　 10 15 φV1、φV2时钟频率/kHz fV 　 100 125 周期/ns te 67 100 　 φH1、φH2建立时间/μs tφHS 0.5 1 　 φV1、φV2脉冲/μs tφv 4 5 　 复位时钟脉宽/ns tφR 10 20 　 读出时间/ms treadout 34 50 　 每行读出时间/μs tline 65.8 95.6 　 1.2 双采取、模拟放大电路及A/D变换电路 我们采用能够满足高频要求的放大器LF356N设计双采样和模拟放大电路。根据CCD的动态范围选用自带采样保持的12位A/D变换器AD1674作模数转换。 双采样原理如图2所示。RSL是CCD复位电平，光信号相当于SGL与RSL的差值，理论上只要分别在RSL和SGL处各采样一次，然后相减便得到信号的值。然而，实际上RSL和SGL并不是理想的水平线，而是存在着低频起伏噪声。为了降低噪声的影响，通常的做法是，分别在RSL和SGL处多次采样求平均，这样对硬件和数据处理软件的要求都很高。我们这里采用了积分型相关双采样技术，如图3所示，CCD信号分别经过同相和反相放大器连到模拟开关输入端。模拟开关S1打开时，RSL通过电容积分;s2打开时，SGL信号经电容积分；s3打开输入端接地，信号保持不变；s4为复位开关。积分放大器的输入、输出关系如下： 图2中的积分输出是相关双采样的输出波形图。采样保持后通过A/D进行模数转换，经8255口存在板上的RAM中。 1.3 电压偏置电路 CCD驱动信号的直流偏置电压各不相同，CPLD产生的TTL信号必须经过电压变换才能加到CCD的输入端。我们首先用LM317和LM337产生所需要的偏置电压，然后经过时钟驱动芯片DS0026转换得到时序和偏置都符合CCD要求的信号，电路如图4所示。 LM317用于输出正相偏置电压，LM337用于输出负相偏置电压，通过调节可变电阻R2阻值可得到我们所需的偏置电压，计算公式如下： 其中，Iadj<100μA,Vref=1.25V，图4（a）中R1取240Ω，图4（b）中R1取120Ω。 2 软件编程 软件是管理硬件的工具，硬件是实现软件功能的基础。本系统的软件工作任务较重，从可编程逻辑器件的硬件描述语言编程、电路板上单片机的汇编程语言编程，到计算机上控制系统的Visual C++编程。 2.1 时序信号的VHDL语言编程 我们用VHDL编制CCD时钟驱动信号、图像暂存RAM和接口扩展芯片8255的地址译码和片选信号，在集成开发环境MAXPLUS II中编译，通过JTAG口下载到EPM7128SLC84-15中。下面给出实现CCD系统时序部分VHDL语言设计和时序仿真结果。VHDL语言编程基本上分为2个部分：实体说明和结构体定义。实体说明部分定义端口，结构体中实现逻辑设计。程序如下： LIBRARY ieee； --包括的库 USE ieee.std_logic_1164.all； USE ieee.std_LOGIC_ARITH.ALL; USE ieee.std_logic_unsigned.all; ENTITY kodak7128 IS --实体说明部分 PORT --端口 （ clk:IN std_logic; 时钟输入 start:IN STD_LOGIC; --启动采集数据输入 rc:OUT STD_LOGIC; --启动A/D变换输出 s1,s2,s3,s4:OUT STD_LOGIC； --相关双采样模式时钟输出 v1:OUT STD_LOGIC; --CCD行转移时钟输出 v2:OUT STD_LOGIC; r :OUT STD_LOGIC;--CCD复位始终输出 h1：OUT STD_LOGIC；--CCD像素转换时钟信号输出 h2: OUT STD_LOGIC； a,b,c：IN STD_LOGIC； --扩展RAM译码输入 a2,a3,a4,a5,a6,a7：IN STD_LOGIC； --口扩展芯片8255地址译码片选输入 a8,a9,a10,a11,a12,a13,a14,a15 : IN STD_LOGIC； ram5,ram6,ram7:OUT STD_LOGIC; --扩展RAM及8255片选译码输出 ram8,ram9,ram10,ram11,ram12,cs8255:out std_logic); ARCHITECTURE mboard OF kodak7128try IS-结构体实现部分 --PROCESS定义逻辑 END mboard； 时序仿真结果如图5所示。 2.2 下位机的汇编语言编程 89C51作为电路板上的灵魂，负责接收计算机传来的命令，管理CCD数据的采集、接收、传送。与计算机的通信通过串行口中断实现，数据的采集通过外中断实现。 事先需要定义好计算机与单 牒同的通信协议，在初始化程序中设置通信波特率、堆栈初始化以及寄存器初值，然后进入循环，等待中断的发生，调用中断子程序，实现预定功能。 当计算机有命令到来时，进入串行中断子程序，在中断中根据预先定好的协议，判断计算机发来的不同命令，调用不同处理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取数、停止取数。 2.3 CCD相机控制系统Visual C++编程 Windows以其操作简单、友好的图形界面成为最流行的操作系统。Visual C++是目前公认最强大的Windows程序设计工具。我们用它开发了相机控制系统。 首先定义人机接口的操作界面。在程序中主要分为数据的获取、存储与处理几个方面，在数据的获取方面我们专门定义一个串口通信类，开一个线程用于监听串口事件的发生，用于向下位单片机发送命令和接收数据。 3 测试结果 我们完成了从芯片到相机系统的软硬件研制，初步测试，效果良好，对于发展我们自己的CCD技术做出有意义的探索和研究。图6是相机CCD量子效率测试结果。