一种基于单片机的可控成像系统设计

摘要：基于彩色面阵CCD传感器设计的高速实时图像采集系统，以信号处理芯片CXD3172AR为核心，可实现输出标准PAL／NTSC格式的视频信号，具有自动白平衡、自动曝光、缺陷补偿等功能，并构建优化的模拟前端电路(包括相关双采样和自动增益控制)大幅度提高了采集数据的信噪比。根据DSP芯片具有参数化控制的特点，通过单片机实现与DSP的特殊通讯传输协议来配置DSP参数，并使用外部开关控制完成各种信号处理功能。通过仿真调试，该电路很好地实现了图像采集和控制功能。
关键词：单片机；CCD；可控化；图像采集

0 引言
光学成像系统是将光学信息转化为人们更易处理的电子信息的重要工具，特别对于智能监控、医学诊断及消费电子领域，其重要性就更大。随着成像系统功能的复杂化，摄像机的便携易控性成了设计中需考虑的重要要素。自从1969年Willard S．Boyle和George E．Smith发明电荷耦合器(CCD)以来，它一直就是光学成像系统的首选传感器。相对于目前发展快速CMOS图像传感器，它仍然具备噪声低，动态范围高的优点。而CCD的模拟前端决定了采集信号的质量，对整个系统信噪比有着决定性的影响，因此对它的噪声抑制是设计中的重点。完成各种图像处理功能的模块是成像系统的核心，针对低照度视频信号成像的设计要求，采用专业信号处理芯片进行各种处理，通过单片机(MCU)对信号处理芯片(DSP)进行参数配置，以完成各种复杂运算功能的控制，简化了系统的逻辑设计，使其具有良好的可控性。

1 系统组成
该系统由CCD、模拟前端AFE(包括相关双采样CDS和自动增益控制AGC)、信号处理模块、微处理器模块以及模拟数字输出模块等组成。系统框图如图1所示。

图中CCD传感器是整个系统的基础，外部光学信号通过光电转换才能进行各种处理。传感器输出模拟信号将经前端放大，以差分输入的方式进入AFE，然后通过一系列模拟信号的降噪放大处理(CDS，AGC)，进入信号处理模块进行各种运算处理。信号处理模块是连接CCD输出和后端通用设备的桥梁，专业信号处理芯片提供了大量视频处理运算功能和多种视频输出格式，为后续处理带来了方便。通过DSP的各种处理，得到设计要求的色度、亮度和饱和度图像，最后输出与终端格式兼容的模拟或者数字信号。模拟输出可以直接与监视器相连，数字输出可以通过FPGA，ASIC等器件与VGA，DVI接口显示器相连。