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用于天文觀測的CCD相機系統的研究
摘要：詳細介紹紫金山天文臺紅外實驗室開發的CCD相機系統的軟硬件設計。根據柯達CCD芯片KAF-0401LE的時序要求，用復雜可編程邏輯器件（CPLD）實現了CCD的時序；采用相關雙采樣技術降低探測信號噪聲；用89C51作下位機控制，通過RS232與上位計算機通信；系統控制軟件采用Visual C++編寫。關鍵詞：CCD CPLD 相關雙采樣 控制系統 串口通信
引言
CCD通常分為3個等級；商業級、工程級和科學級。3個級別的要求一級比一級高。衡量CCD的性能主要從以下幾個方面：量子效率和響應度、噪聲等效功率和探測度，即動態范圍和電荷轉移效率等。科學級CCD以其高光子轉換效率、寬頻譜響應、良好線性度和寬動態范圍廣泛用于天文觀測，已成為望遠鏡測必不可少的后端設備。國內各天文臺望遠鏡終端都是從外圍引起的成套設備，使用和維護很不方便，并且價格昂貴，因此國內迫切需要發展自己的CCD技術。紫金山天文臺紅外實驗室對這一課題進行了深入研究，廣泛調研，認真選取，(范文先生網m.baimashangsha.com收集整理)從芯片開始一直到系統的軟硬件設計，搭建了自己的CDD相機系統。
1 系統設計
CCD芯片決定相機系統的性能，為此我們廣泛調研，最后選定柯達公司的KAF-0401LE芯片。它動態范圍大（70dB），電荷轉移效率高（0.999 99），波長響應范圍寬（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，能夠滿足科學觀測的要求，既可用于光譜分析，又可用于成像觀測。
系統設計的重點是解決CCD芯片的驅動和系統噪聲的問題。我們的設計如下：采用柯達公司的KAF-0401LE芯片作為探測器，Ateml公司的帶閃存Flash的89C51作下位機控制器，復雜可編程邏輯作（CPLD）作時序發生和地址譯碼，采用相關雙采樣技術降低噪聲，自帶采樣保持的12位A/D轉換順AD1674進行模數轉換，擴展8片128Kbit（628128）的RAM作1為幀圖像暫存空間，通過RS232與計算機串口通信，接受計算機的控制。整個系統由圖1所示幾個功能部件組成。
1.1 時序信號發生電路
KAF-0401LE芯片的時序要求：積分期間φV1、φV2保持低電平；行轉移期間φH1保持高電平，φH2保持低電平。每行開始φV1的第2個脈沖下降沿后，要有1個行轉移建立時間tφHs，讀完行后需延遲1個像素時間te才開始下一行φV1脈沖；同樣，φV1第2分脈沖下降沿后，開始下一行轉移，如此直到讀完1幀。
復雜可編程邏輯器件（CPLD）以其高度集成、靈活、方便的特點，在電路設計中運用越來越廣泛。Altera公司的復雜可編程邏輯器件EPM712SLC84-15具有2500個可用邏輯門，128個宏單元，8個邏輯塊，最大時鐘可達147.1MHz，帶有68個可供用戶使用的I/O引腳，PLCC封裝，可通過JTAG接口實現在線編程。我們選用EMP7128SLC84-15，通過硬件描述語言（VHDL）在集成開發環境MAX PLUS II下完成邏輯設計；編譯后，通過JTAG接口下載到電路板上的EPM7128SLC84-15中，實現了KAF-0401LE芯片的時序要求。
MAX PLUS II雖然有很豐富的元件庫，但并不是針對某一應用而開發的，具有通用性，調用它固有的元件庫可能造成資源的浪費，沒有必要。因此我們按照需求，編制了自己的元件庫，然后在程序中作為元件調用。在本系統中，僅用1片EPM7128LC84-15就實現了CCD的時序要求、暫存RAM和接口擴展芯片8255的片選和地址譯碼，既簡化恥電路的硬件設計，提高了系統可靠性，又降低了成本。交流時序條件要求如表1所列。
表1
1.2 雙采取、模擬放大電路及A/D變換電路
我們采用能夠滿足高頻要求的放大器LF356N設計雙采樣和模擬放大電路。根據CCD的動態范圍選用自帶采樣保持的12位A/D變換器AD1674作模數轉換。
雙采樣原理如圖2所示。RSL是CCD復位電平，光信號相當于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的值。然而，實際上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，這樣對硬件和數據處理軟件的要求都很高。我們這里采用了積分型相關雙采樣技術，如圖3所示，CCD信號分別經過同相和反相放大器連到模擬開關輸入端。模擬開關S1打開時，RSL通過電容積分;s2打開時，SGL信號經電容積分；s3打開輸入端接地，信號保持不變；s4為復位開關。積分放大器的輸入、輸出關系如下：
圖2中的積分輸出是相關雙采樣的輸出波形圖。采樣保持后通過A/D進行模數轉換，經8255口存在板上的RAM中。
1.3 電壓偏置電路
CCD驅動信號的直流偏置電壓各不相同，CPLD產生的TTL信號必須經過電壓變換才能加到CCD的輸入端。我們首先用LM317和LM337產生所需要的偏置電壓，然后經過時鐘驅動芯片DS0026轉換得到時序和偏置都符合CCD要求的信號，電路如圖4所示。
LM317用于輸出正相偏置電壓，LM337用于輸出負相偏置電壓，通過調節可變電阻R2阻值可得到我們所需的偏置電壓，計算公式如下：
其中，Iadj<100μA,Vref=1.25V，圖4（a）中R1取240Ω，圖4（b）中R1取120Ω。
2 軟件編程
軟件是管理硬件的工具，硬件是實現軟件功能的基礎。本系統的軟件工作任務較重，從可編程邏輯器件的硬件描述語言編程、電路板上單片機的匯編程語言編程，到計算機上控制系統的Visual C++編程。
2.1 時序信號的VHDL語言編程
我們用VHDL編制CCD時鐘驅動信號、圖像暫存RAM和接口擴展芯片8255的地址譯碼和片選信號，在集成開發環境MAXPLUS II中編譯，通過JTAG口下載到EPM7128SLC84-15中。下面給出實現CCD系統時序部分VHDL語言設計和時序仿真結果。VHDL語言編程基本上分為2個部分：實體說明和結構體定義。實體說明部分定義端口，結構體中實現邏輯設計。程序如下：
LIBRARY ieee； --包括的庫
USE ieee.std_logic_1164.all；
USE ieee.std_LOGIC_ARITH.ALL;
USE ieee.std_logic_unsigned.all;
ENTITY kodak7128 IS --實體說明部分
PORT --端口
（ clk:IN std_logic; 時鐘輸入
start:IN STD_LOGIC; --啟動采集數據輸入
rc:OUT STD_LOGIC; --啟動A/D變換輸出
s1,s2,s3,s4:OUT STD_LOGIC； --相關雙采樣模式時鐘輸出
v1:OUT STD_LOGIC; --CCD行轉移時鐘輸出
v2:OUT STD_LOGIC;
r :OUT STD_LOGIC;--CCD復位始終輸出
h1：OUT STD_LOGIC；--CCD像素轉換時鐘信號輸出
h2: OUT STD_LOGIC；
a,b,c：IN STD_LOGIC； --擴展RAM譯碼輸入
a2,a3,a4,a5,a6,a7：IN STD_LOGIC； --口擴展芯片8255地址譯碼片選輸入
a8,a9,a10,a11,a12,a13,a14,a15 : IN STD_LOGIC；
ram5,ram6,ram7:OUT STD_LOGIC; --擴展RAM及8255片選譯碼輸出
ram8,ram9,ram10,ram11,ram12,cs8255:out std_logic);
ARCHITECTURE mboard OF kodak7128try IS-結構體實現部分
--PROCESS定義邏輯
END mboard；
時序仿真結果如圖5所示。
2.2 下位機的匯編語言編程
89C51作為電路板上的靈魂，負責接收計算機傳來的命令，管理CCD數據的采集、接收、傳送。與計算機的通信通過串行口中斷實現，數據的采集通過外中斷實現。
事先需要定義好計算機與單 牒同的通信協議，在初始化程序中設置通信波特率、堆棧初始化以及寄存器初值，然后進入循環，等待中斷的發生，調用中斷子程序，實現預定功能。
當計算機有命令到來時，進入串行中斷子程序，在中斷中根據預先定好的協議，判斷計算機發來的不同命令，調用不同處理子程序。其中的命令有：采集、停止采集、取數、停止取數。
2.3 CCD相機控制系統Visual C++編程
Windows以其操作簡單、友好的圖形界面成為最流行的操作系統。Visual C++是目前公認最強大的Windows程序設計工具。我們用它開發了相機控制系統。
首先定義人機接口的操作界面。在程序中主要分為數據的獲取、存儲與處理幾個方面，在數據的獲取方面我們專門定義一個串口通信類，開一個線程用于監聽串口事件的發生，用于向下位單片機發送命令和接收數據。
3 測試結果
我們完成了從芯片到相機系統的軟硬件研制，初步測試，效果良好，對于發展我們自己的CCD技術做出有意義的探索和研究。圖6是相機CCD量子效率測試結果。
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