专用CCD信号处理芯片和USB2.0技术在CCD相机设计中的应用

    CCD（Charge Coupled Devices）即电荷耦合器件，是一种新型的光电成像器件，具有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、可靠性好等优点。以 CCD芯片为感光芯片的 CCD 相机系统目前广泛应用于机器人视觉系统、安全保卫系统、智能交通系统以及Internet 接入装置等领域。并且随着 CCD 技术的迅速发展，CCD 相机系统逐步应用于航天探测领域［1］。

    传统的 CCD 相机系统组成一般如图 1 所示。其中视频预处理及放大电路、CDS 视频处理电路和 A/D 转换电路是由各自独立的器件完成的，具有电路复杂，调试不方便等缺点；另外主机从 FIFO 缓存中读取数据采用 RS232 串行接口或并行接口进行数据传输也具有传输速度慢等缺点。整体看来，传统的 CCD 相机系统具有数据传输速度慢、体积大等缺，不利于更广泛地应用。但近年来随着信息技术的飞 速 发 展 ， CCD视频信号处理专用芯片及USB2.0 接口技术在上述两个电路部分的应用使得CCD 相机系统有了重大的改变。新型的 CCD 相机系统组成如图 2 所示。在采用了新的技术后，不仅解决了数据传输速度和小型化的问题，此外，由于降低整个系统复杂性，减少了各自独立的器件，因此系统的设计和调试的方便性和系统的稳定性都有所提高。

    本文主要分析了专用CD信号处理芯片VSP2212 和 USB2.0 接口芯片 CY7C68013 的工作原理，并在此基础上设计了 CCD 信号处理电路。

    1 芯片简介

    1.1 CCD 数字相机视频信号处理器 VSP2212 的特点及功能

    VSP2212 是 Burr- Brown 推出的新款视频信号处理器。这款芯片主要是针对电荷耦合器件（CCD）影像应用产品而设计的，如数字摄像机、数字静态相机和 PC/录像会议相机。这种高性能的混合信号处理芯片采用相关双采样技术CDS（correlateddouble sampling）提取图像信息，可编程增益 PGA（programmable gain amplifier）控制范围可以达到- 6dB~+42 dB，具有良好的输入信号钳位和 CDS 输入偏移校正性能，并提供暗电平钳位给出准确的暗电平参考。此外，暗电平在增益改变后会很快重新建立。一个 12 位 ADC，转换速率高达 20 MHz，方便CCD 阵列信号的数字处理。两个片上通用 8 位数模转换器，可以提供不同模拟控制电压，例如 CCD 图像器件的 VSOB控制。VSP2212 的最低电压为 2.7 V到 3.6 V，最低功率 99 mW，而且噪声低(信噪比为79 dB)，最适合应用在小型化嵌入式 CCD 数字相机系统中。VSP2212 结构框图如图 3 所示。

    VSP2212 集中了如下特性。

    (1)双相关采样 CDS（correlated double sampling）目前 CCD 多为埋沟道器件，输出图像信号中的噪声以 CCD 输出结构产生的复位噪声占主要地位。为了降低复位噪声和低频噪声，VSP2212 采用了双相关采样技术。双相关采样的原理是在 CCD 输出像元 N的信号周期内对参考电平和视频电平分别采样，并将两个采样电平经差动放大器输出，得到的信号就是视频信号 Vout。这一过程把与参考电平和视频电平都相关的复位噪声滤除了，而且对低频噪声也有一定的滤除效果［2］。