Geum.ru

Устройство считывания оптической информации на основе пзс-линейки

Вид материалаДокументы
Подобный материал:
УСТРОЙСТВО СЧИТЫВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ПЗС-ЛИНЕЙКИ


Сотников А.А., лаб. 15


В последнее время в связи с бурным развитием цифровой обработки изображений расширяется область применения многоэлементных фоточувствительные преобразователей, в частности, видимого диапазона. Эта обуславливает рост потребности в создании устройств сбора и обработки оптических сигналов на базе новых появившихся на рынке фотодиодных и ПЗС линеек и матриц с упрощенным управлением. В докладе рассмотрена разработка и реализация аппаратного модуля считывания информации на основе ПЗС-линеек фирмы Sony в приложении к задачам цифровой обработки оптических сигналов.

Использовавшиеся линейки (ILX551A, ILX751B) имеют максимум спектральной характеристики в видимом диапазоне и обладают высокой чувствительностью (около 40В/люкс·сек. при засветке белым светом). Каждая из указанных линеек представляет собой линейный массив из 2048 элементов размером 14x14 мкм. Считывание информации осуществляется с помощью двух управляющих TTL-входов. По импульсу на одном из них (ROG) происходит перенос накопленного заряда, характеризующего засветку каждого фоточувствительного элемента, в аналоговый сдвиговый регистр, по другому (CLK) передаются тактовые импульсы вывода зарядов из сдвигового регистра в выходную схему выборки-хранения. Перед началом экспозиции полезного сигнала зачастую необходима предварительная очистка, т.е. сброс накопленных зарядов элементов линейки. Для ILX551A очистка ─ это обыкновенное считывание, только без регистрации данных, в ILX751B предусмотрен дополнительный управляющий TTL-вход SHUT, позволяющий сбросить все заряды без переноса в сдвиговый регистр и последующего вывода.

Предложенная схема считывания данных использует микросхему программируемой логики (ПЛИС) для формирования управляющих сигналов АЦП и линейки с необходимой частотой, а также для сохранения полученного кода. Таким образом, вся процедура сбора и регистрации оптических данных возлагается на ПЛИС, высвобождая центральный процессор прибора.

Эта идея была реализована, в частности, в датчике уровня (ДУ), входящего в измерительный комплекс контроля роста монокристаллов кремния, используемого в ростовой установке на ФГУП "Красмашзавод" (г. Красноярск).

Аппаратная реализация считывания оптической информации в ДУ проиллюстрирована на рис.1. Блок усиления предназначен для приведения уровня выходного сигнала ПЗС-преобразователя к входному диапазону АЦП (AD9200) и построен на транзисторе КТ3107А и операционного усилителя AD828. В качестве ПЛИС применена микросхема MAX7000 фирмы Altera. В обычном режиме статическое 16-разрядное ОЗУ используется как внешняя память данных микроконтроллера (МК) и входит в его адресное пространство. Шина данных ОЗУ (D) отделена от общей шины адресов и данных (AD) микроконтроллера трансивером, представляющим собой двунаправленный буфер, направление в котором задается уровнем сигнала Rd, являющимся также стробом чтения данных из ОЗУ. Шина адреса (A) формируется с помощью ПЛИС, которая берет значение адреса с шины AD по сигналу ALE. Строб записи в ОЗУ Wr также задается ПЛИС. В обычном режиме он повторяет сигнал Wr, подаваемый с микроконтроллера.

По положительному фронту в канале Start запускается процедура сбора данных. Значение WrEn в момент подачи сигнала Start задает режим работы: либо очистка линейки, либо считывание и аналогово-цифровое преобразование сигналов, характеризующих каждый элемент линейки точку с последующей записью полученных кодов в ОЗУ.





Рисунок 1. Структурная схема считывания и сохранения оптических данных в датчике уровня.


Запись выборки в память осуществляется следующим образом. Помимо тактовых сигналов для линейки ПЛИС вырабатывает также тактовые сигналы CLK для АЦП с той же частотой. Полученный на выходе АЦП цифровой код подается на шину данных ОЗУ. В обычном режиме данные формируются трансивером, а выходы ПЛИС, соединенные с шиной D находятся в высокоимпедансном состоянии, и, наоборот, в режиме выборки ПЛИС захватывает шину, блокируя трансивер сбросом сигнала OE. Адрес блока памяти предназначенного для хранения выборки (размером 2048 слов) определяется старшими разрядами адреса, зафиксированного сигналом ALE при последней перед посылкой Start команде обращения к внешнему ОЗУ. Эти разряды в процессе записи выборки не меняются. Младшие 11 разрядов адреса, характеризующие номер ячейки памяти внутри этого блока, формируются счетчиком элементов линейки в ПЛИС. Заполненный блок памяти используется микроконтроллером после окончания выборки как обычный массив данных для последующей обработки.

Время экспозиции представляет собой период времени между двумя последующими запусками линейки. После каждого запуска ПЛИС игнорирует новые импульсы Start до тех пор, пока не произведется вывод всех элементов сдвигового регистра линейки. В данном устройстве считывание и аналогово-цифровое преобразование осуществляется с частотой 2.4 МГц, следовательно, минимальное время экспозиции составляет 0.87 мс, максимальная частота измерений ─ 1150 изм./сек.

Аналогичная схема сбора данных была реализована также в акустооптическом модуляторе, созданном для Сибирского солнечного радиотелескопа (ССРТ), г. Иркутск. Акустооптический модулятор представляет собой анализатор спектра реального времени, построенный на акустооптической ячейке, работающей в режиме дифракции Брэгга. Ячейка преобразует спектральные компоненты входного электрического сигнала в пространственно распределенный оптический сигнал, воспринимаемый ПЗС-линейкой.

ПЛИС, блок усиления и линейка те же, что и в датчике уровня. Алгоритм считывания оптической информации, заложенный в ПЛИС, также аналогичен алгоритму, реализованному в датчике уровня. Процедура записи полученной выборки в память здесь несколько иная, так как вместо статического адресного ОЗУ здесь используется 8-разрядное FIFO. Поступающий с 12-разрядного АЦП (AD9223) код разбивается на 2 байта, которые ПЛИС последовательно записывает в FIFO. Разработано несколько модификаций прибора, в том числе и с двумя синхронными каналами считывания. В таком исполнении ПЛИС одновременно управляет двумя наборами линеек, АЦП, FIFO и т.п.

В данном устройстве не производится никакой обработки информации, задача приемника состоит в передаче считанных оптических данных в компьютер по шине USB. Выходной порт FIFO соединен с параллельным интерфейсом USB-контроллера (драйвера). При инициировании хостом USB запроса о начале передачи содержимое FIFO под управлением микроконтроллера напрямую передается в регистры драйвера для последующей передачи в компьютер.

Объем передаваемых данных в единицу времени ограничен только пропускной способностью интерфейса USB 1.1. Поэтому в модуле сбора оптической информации спектроанализатора для повышения временной разрешающей способности реализованы также режимы считывания фрагментов линейки размером 1024 и 512 элементов (помимо считывания всех 2048 элементов). Режим работы, т.е. количество каналов спектроанализатора, количество выборок после каждого запуска, время экспозиции, время очистки, размер и положение считываемого фрагмента для каждого канала и т.п. задаются программно из пользовательского приложения.

Проведенные экспериментальные исследования приборов, использующих описанный принцип считывания оптической информации, показали эффективность разработанной аппаратуры. Благодаря применению программируемой логики обеспечивается модульность и функциональная перестраиваемость устройств, при этом частота измерений ограничивается только характеристиками линейки.


ПУБЛИКАЦИИ
  1. Сотников А.А. Устройство считывания оптической информации на основе ПЗС-линейки // Материалы АПЭП-2004. Новосибирск, НГТУ, 2004, Т. 3, стр. 313-316.
  2. A.V. Gubin, R.Yu. Stasyuk, S.V. Lesovoi, V.D. Barmasov, and A.A. Sotnikov. The Antenna Control System and the Data Acquisition System of the Siberian Solar Radio Telescope // Proc. ACIT-ACA-2005 – pp.161-165, Novosibirsk, 2005.