高速科学CCDCAMERA系统设计

    引 言

    CCD (Charge Coupled Devices)技术经过近三十年的发展已成为一种成熟的光电成像技术，越来越广泛的应用到科学研究、生产检测、医疗生化、国防军工等相关产业。CCD 以芯片性能为标准，划分为若干等级。通常科学研究上使用的 CCD 称为科学级 CCD，其具有量子效率高、频谱响应宽、线性度好、动态范围宽、读出速度快和数据易处理和保存等显著特点，成为大多数天文望远镜和显微镜的终端设备。

    CCD 研制技术在国外已日渐成熟，但在国内尚在初步发展阶段，对 CCD 技术的了解，也仅限于低速CCD,由于国防等各方面的需要，高速 CCD 越来越重要。因我国目前还不能自制，只能向国外公司购买，价格昂贵，使用和维护很不方便并受到很多限制和制约。所以掌握 CCD 相机的制造技术，制成一套高速的具有自己知识产权的 CCD 系统是当务之急。但要达到最终目的，必须解决一些技术瓶颈。对高速科学CCD 系统而言，就是 CCD 信号的低噪声的高速读出及存储，器件选择和电路设计都要满足相应高速设计的要求。针对这一难题进行了深入研究并进行了多次实验，从而完成了从芯片选取到机械、光学、真空制冷、软硬件电路设计等全部工作。完整地研制出了 CCD 样机，并装在望远镜上和国外同类产品进行了对比观测和性能测试，实验结果表明，此研制的 CCD 相机性能达到并部分优于国外同类产品。

    1 系统结构简介

    该系统设计技术领域较多，包括光学系统设计、机械系统设计、真空制冷、CCD 驱动、CPLD (ComplexProgrammable Logic Device)系统时序和状态控制、USB2.0 高速数据传输、VC++系统界面和图像处理等多项技术设计。按照各自功能可分为三大主要模块：一、机械和光学模块；二、CCD 信号采集模块；三、USB2.0 高速数据传输和系统控制模块。系统结构图如图 1。

    控制系统主要由 CCD 芯片、A/D、CPLD、FIFO、USB2.0芯片等器件组成。基本操作如下：空闲状态时上电后 CCD 模块中制冷部分开始工作，上位机界面显示温度数据。图像采集时系统界面中输入所需初始化数据，通过 CY7C68013A 输出控制线发送到 CPLD 中,发图像采集指令后，CPLD 按照设定模式发 CCD的控制信号，包括发送 CCD driver、A/D(含 CDS)控制信号、数据锁存器及 FIFO 写控制信号等，完整的一帧 CCD 图像数据经 FIFO 缓存，并由 USB 同步实时传输到主机，以 fits 格式保存，并在主界面上显示。

    2 系统基本工作模式

    2.1 空闲状态(Idle)

    系统上电后，即进入空闲状态，每次图像采集结束时也自动进入空闲状态。此状态下，系统会根据控制命令定时采集 CCD 真空制冷部分的温度，通过 USB传输显示在上位机工作界面上，并可控制温控电路，以调节温度值。