基于FPGA的电子倍增CCD图像采集传输系统的实现

摘要

电子倍增CCD作为新型的微光CCD，采用片上倍增技术，使信号在读出噪声加入之前就倍增，大大提高了其信噪比，同时由于电子倍增CCD的读出噪声不随信号读出频率的增加而增大，使得电子倍增CCD可以快速成像。电子倍增CCD拥有很高的信噪比和灵敏度，且体积小，功耗低，寿命长，能快速成像，这些优点使得电子倍增CCD在微光夜视领域具有广泛的应用。
　　本文根据电子倍增CCD的驱动频率和系统传输带宽的要求，研制了一种基于FPGA的图像采集传输系统。该系统以FPGA作为主控芯片，设计了电子倍增CCD的图像采集转换控制模块，电子倍增CCD的增益调节控制模块，千兆以太网的数据发送和接收模块。实现了电子倍增CCD的增益和积分时间的调节，电子倍增CCD的图像采集，图像信号的A/D转换，图像数据的传输。在电脑终端利用多线程操作和套接字编程，编写了基于对话框界面的上位机程序，实现了图像数据的接收、显示、存储和电子倍增CCD相关参数的发送。
　　通过调试，本文设计的电子倍增CCD图像采集传输系统成像清晰低噪，运行稳定，增益和积分时间调节效果明显，能进行全双工通信，电子倍增CCD图像信号的读出频率为12.5MHz，以太网传输带宽为193.1Mbit，系统具有实时成像的能力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 电子倍增CCD研究背景与意义

1．1．2 采用FPGA进行设计的意义

1．2 国内外研究及发展现状

1．2．1 电子倍增CCD的国内外研究现状

1．2．2 FPGA的发展现状

1．3 论文组织结构

2 电子倍增CCD图像采集传输系统总体设计

2．1 系统总体设计方案

2．2 系统框图

2．3 系统介绍

3 电子倍增CCD图像采集模块

3．1 电子倍增CCD芯片TC253SPD-30

3．1．1 TC253SPD-30芯片结构

3．1．2 TC253SPD-30工作过程

3．1．3 TC253SPD-30管脚功能说明

3．1．4 TC253SPD-30驱动时序分析

3．2 AD芯片AD9945

3．2．1 AD9945管脚功能说明

3．2．2 AD9945工作过程

3．2．3 AD9945寄存器设置

3．2．4 AD9945驱动时序分析

3．3 可变电位器芯片MAX5392

3．3．1 MAX5392管脚功能介绍

3．3．2 增益控制电路

3．3．3 MAX5392的I2C接口时序分析

3．3．4 MAX5392的控制指令

3．4 电子倍增CCD图像采集模块的FPGA实现

3．4．1 图像采集转换控制模块

3．4．2 增益调节控制模块

4 千兆以太网MAC模块

4．1 以太网概述

4．1．1 以太网体系结构

4．1．2 UDP协议

4．1．3 IP协议

4．1．4 以太网协议

4．1．5 CRC校验算法

4．1．6 数据在TCP／IP模型下的封装解包过程

4．2 PHY芯片88E1111

4．2．1 MAC与PHY的接口选择及其时序分析

4．2．2 88E1111的硬件配置

4．3 千兆以太网MAC模块的FPGA实现

4．3．1 跨频率域缓存模块

4．3．2 数据封装模块

4．3．3 88E1111发送驱动模块

4．3．4 数据接收模块

5 上位机程序

5．1 对话框简介

5．2 多线程操作

5．3 套接字编程

5．4 上位机程序的实现

6 系统各模块及整体性能测试

6．1 电子倍增CCD图像采集模块测试

6．1．1 电子倍增CCD帧转移时序波形测试

6．1．2 电子倍增CCD行转移时序波形测试

6．1．3 电子倍增CCD行读出，A／D采样时序波形测试

6．1．4 AD9945寄存器设置时序波形测试

6．1．5 电子倍增CCD增益调节控制测试

6．2 千兆以太网MAC模块测试

6．2．1 千兆网MAC模块的发送功能测试

6．2．2 千兆网MAC模块的接收功能测试

6．3 上位机程序的测试

6．4 系统整体性能测试

6．4．1 电子倍增CCD积分时间调节测试

6．4．2 电子倍增CCD增益调节测试

6．4．3 千兆网带宽利用率

7 结论和展望

致谢

参考文献

附录