CN100582693C - 一种驱动线阵探测器的装置 - Google Patents
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Abstract
一种驱动线阵探测器的装置，属于图像与信号探测技术领域，其特征在于，所述装置的控制电路部分含有：系统控制器、识别器、端口配置器、驱动信息存储器、可编程增益放大器、相关双采样器、A/D转换器、数据存储器及扩展与通信接口。该系统控制器在确定了与线阵探测器端口的顺序连接关系后，依次执行以下步骤：根据从识别器获得的识别字段从驱动信息存储器获取驱动信息，再依据该驱动信息依次输出多路时序脉冲驱动线阵探测器，再控制线阵探测器输出图像的放大倍数及采样时机，经模数转换后由扩展与通信接口输出。在更换新型号的线阵探测器时，不必更改整体驱动，只需向识别器输入新的识别字段并在驱动信息存储器内附加驱动信息即可，便于扩展。
Description
技术领域
本发明涉及一种驱动线阵探测器的装置，可应用于图像与信号测量等领域。
背景技术
线阵探测器在图像与信号测量领域中应用十分广泛，常见的主要有线阵CCD(chargecouple device，电荷耦合器件)和线阵PDA(photodiode array，光电二极管阵列)两种类型。CCD探测器在光子效率、暗电流水平、读出噪声等方面具有明显的优势，在可见光探测及弱信号测量场合中应用；而PDA器件累积电荷势阱大，动态范围高，且对180~300nm光子有比较好的响应，适合在(近)紫外光探测或吸收光谱测量场合中应用。针对不同的应用场合要求，需要更换包括像素尺寸和数量、波长响应范围、动态范围及噪声水平等在内的众多指标的线阵探测器。目前世界上生产线阵探测器的厂商有很多，其中生产线阵CCD的主要有Sony、Toshiba、Hamamatsu、Fairchild等几家厂商，生产NMOS和CMOS型PDA的主要是Hamamatsu。
如图1，线阵探测器的驱动主要包括两个主要部分：线阵探测器部分和控制电路部分。线阵探测器部分是对线阵探测器1输出的图像信号进行预处理：线阵探测器1的输出图像信号通过由跟随器构成的缓冲器6缓冲之后，利用运放减法器或隔直电容组成的直流偏置校正电路7去除掉直流偏置，经过前置放大滤波电路8，输入可编程增益放大器(PGA)9；控制电路部分与驱动脉冲和时序相关：主控芯片产生多路时序脉冲对线阵探测器1进行驱动，控制可编程增益放大器9的放大倍数、相关双采样器10的开启/关闭以及A/D转换器(模数转换器)11的模拟/数字转换，并协调控制线阵探测器1的多路时序脉冲和A/D转换器11及可编程增益放大器9等数字器件的工作时序配合。
同一厂商生产的不同型号的线阵探测器，其管脚定义不同，驱动电路和驱动时序也不同。而对于不同厂商生产的线阵探测器，无论类型，区别更大。对于不同的线阵探测器，现有的主要应对措施是更换包括探测器部分和控制电路部分在内的整体驱动电路，并重新编写其相应的驱动程序并下载到主控芯片，以完成控制，即不同的线阵探测器需要开发不同的驱动装置和驱动程序，可扩展性和利用效率都不高。
发明内容
本发明目的是提供一种可扩展性能好、利用效率高的驱动线阵探测器的装置，方便各类线阵探测器的更换或升级：对于不同的线阵探测器，可保留控制电路部分不变，只需要更换与线阵探测器输出图像信号有关的探测器端部分电路，而不需要更换包括控制电路部分在内的整体驱动电路；可使主控芯片的驱动程序，与线阵探测器的驱动时序无关，因此不需要更改驱动程序，方便驱动不同种类的线阵探测器。
本发明的特征在于，含有依次由线阵探测器1、缓冲电路6、直流偏置校正电路7和前置放大滤波电路8串联组成的线阵探测器部分和控制电路部分，其特征在于，所述控制电路部分含有：系统控制器2、驱动信息存储器3、识别器4、端口配置器5、输入端与所述前置放大滤波电路8输出端相连的可编程增益放大器9、相关双采样器10、A/D转换器11、数据存储器12以及扩展与通信接口13，其中：
驱动信息存储器3，与所述系统控制器2互连，是一个闪烁存储器，其存储空间划分为多个驱动信息存储区段，依次存储多个所述线阵探测器1相关的驱动信息，包括所述线阵探测器1的识别字段和命令字段，该命令字段包括端口配置字段、时序字段、以及端口I/O操作字段，在格式上分为命令标识与命令参数，
识别器4，与系统控制器2互连，该识别器是一个EEPROM，存储有用高低电平的组合表示的识别字段，用于区别所述线阵探测器1的类别序号，或者存储所述线阵探测器1的驱动信息存储区段的地址，
端口配置器5，输入端与所述系统控制器2的某些输出端口相连，该端口配置器5的各输出端口与所述线阵探测器1的各输入端口相连，该端口配置器5提供了所述系统控制器2和线阵探测器1之间的端口连接顺序并进行连接，
系统控制器2，是一个数字集成电路芯片，其中含有：识别模块2-2、端口配置模块2-3、多路时序脉冲发生模块2-4、自适应功能控制模块2-5、以及驱动信息模块2-1，此外还有扩展与接口模块2-6，其中：
识别模块2-2，分别与所述识别器4和驱动信息模块2-1互连，该识别模块2-2对所述识别器4输出的识别字段进行判断，把经过判断后确定的所述线阵探测器1的类别代码表示的类别型号输往所述驱动信息模块2-1，
端口配置模块2-3，各输入端与所述驱动信息模块2-1的各输出端相连，而该端口配置模块2-3的各输出端则与所述端口配置器5的控制信号输入端口相连，以控制所述端口配置器5，实现所述系统控制器2与所述线阵探测器1端口之间的顺序连接，
多路时序脉冲发生模块2-4，驱动信息输入端与所述驱动信息模块2-1的对应的输出端相连，而该多路时序脉冲发生模块的输出端则把多路时序脉冲输入到所述端口配置器5的输入端，
自适应功能控制模块2-5，识别字段信息输入端与所述驱动信息模块2-1对应的输出端相连，而该自适应功能控制模块2-5的打开/关闭控制信号输出端与所述相关双采样器10的输入端相连，而该自适应功能控制模块2-5的放大倍数控制信号则与所述可编程增益放大器9的输入端相连，
驱动信息模块2-1，与所述驱动信息存储器3互连，根据所述线阵探测器1的类别代码，在所述驱动信息存储器3内搜索所述线阵探测器1的驱动信息存储区段的地址并读取驱动信息，或者根据所述线阵探测器1的驱动信息存储区段地址直接通过访问该地址来取得驱动信息，并根据该驱动信息中的时序字段来协调并依次控制所述多路时序脉冲发生模块2-4、自适应功能控制模块2-5以及所述A/D转换器11的操作过程，把所述线阵探测器1输出的图像信号数字化，存储于所述数据存储器12中，并通过所述扩展和接口模块2-6由所述扩展与通信接口13输出并显示，该扩展与接口模块2-6是与所述数据存储器12互连的。
本发明与现有技术相比的优点是：本发明目对于不同的线阵探测器，可保留控制电路部分不变，只需要替换与探测器输出图像信号相关的探测器端部分电路，而不需要更换整体驱动电路；可使系统控制器2的驱动程序，与线阵探测器1的脉冲驱动时序和两者的端口连接顺序无关，可以不更改整体驱动程序。在添加新的线阵探测器时，也不用更改整体驱动程序，只需要在识别器4内写入新的标识字节，在驱动信息存储器3剩余空间内附加存储新的线阵探测器的驱动信息文件，方便扩展和升级。
附图说明
图1是线阵探测器驱动的简单示意图；
图2是本发明的装置结构示意图；
图3是系统控制器2的结构示意图；
图4是驱动信息存储器的存储方式说明；
图5是所述装置驱动的流程图：(a)是所述装置驱动的流程总示意图；(b)是(a)所示流程中译码执行(IV)一步的过程示意图；
图6是驱动信息模块2-1译码执行的程序实现流程；
图7是所述添加新线阵探测器驱动的流程；
图8四款线阵探测器的端口配置示意图：(a)是ILX554B的输入端口与系统控制器2输出端口的连接关系配置示意图；(b)是TCD1304AP的输入端口与系统控制器2输出端口的连接关系配置示意图；(c)是S3924-1024Q的输入端口与系统控制器2输出端口的连接关系配置示意图；(d)是S8378-1024Q的输入端口与系统控制器2输出端口的连接关系配置示意图。
具体实施方式
如图2，一种驱动线阵探测器的装置，由线阵探测器1、系统控制器2、驱动信息存储器3、识别器4、端口配置器5、缓冲电路6、直流偏置校正电路7、前置放大滤波电路8，可编程增益放大器9、相关双采样器10、A/D转换器(模数转换器)11、数据存储器12及扩展与通信接口13组成。系统控制器2与驱动信息存储器3、识别器4、端口配置器5、A/D转换器11、数据存储器12及扩展和通信接口13相连；端口配置器5与线阵探测器1相连；系统控制器2与可编程增益放大器9及相关双采样器10相连。线阵探测器1输出的图像信号经过缓冲电路6、直流偏置校正电路7、前置放大滤波电路8，可编程增益放大器9、相关双采样器10及A/D转换器11后转换成数字结果存储在数据存储器12中，并可通过扩展和通信接口13输出显示。
所述的驱动探测器的装置，在进行驱动时，系统控制器2首先通过识别器4输出的识别字段识别线阵探测器1的型号，然后从驱动信息存储器3获取线阵探测器1的驱动信息，控制端口配置器5对系统控制器2和线阵探测器1之间的端口连接顺序进行配置，生成多路时序脉冲驱动线阵探测器1，调整可编程增益放大器9的放大倍数和开启或关闭相关双采样器10，协调多路时序脉冲、A/D转换器11和相关双采样器10的时序配合，最后把A/D转换器11的模数转换结果存储到数据存储器1)中，通过扩展与通信接口13输出或显示。
所述的驱动线阵探测器的装置，其系统控制器2可以是CPLD器件、FPGA器件、MCU或DSP等数字集成电路芯片，由驱动信息模块2-1、识别模块2-2、端口配置模块2-3、多路时序脉冲发生模块2-4、自适应功能控制模块2-5以及扩展与接口模块2-6组成，如图3所示。识别模块2-2与识别器4相连；端口配置模块2-3的控制信号输出端与端口配置器5的控制信号输入端相连；多路时序脉冲发生模块2-4的输出端与端口配置器5的输入端相连；驱动信息模块2-1与驱动信息存储器3互连；自适应功能控制模块2-5的输出端与可编程增益放大器9和相关双采样器10的控制信号输入端相连；扩展与接口模块2-6和数据存储器12、扩展与通信接口13相连。
所述驱动线阵探测器的装置，其识别器4可以是跳线或模拟开关，也可以是存储有线阵探测器1识别字段的EEPROM等非易失性存储器。识别器4是跳线或模拟开关时，可以通过改变与高低电压的选通状态来输出识别字段，识别字段表现为高低电平的组合，可以用来作为区别线阵探测器的类别代码；识别器4是EEPROM等非易失性存储器时，输出的识别字段将是预先存储的线阵探测器1的识别信息，可以是线阵探测器1的类别序号，也可以是在驱动信息存储器3中线阵探测器的驱动信息的存储区段的地址。
所述驱动线阵探测器的装置，其驱动信息存储器3可采用Flash等非易失性存储器，其存储空间可划分成多个驱动信息存储区段，依次存储多个线阵探测器相关的驱动信息，包括线阵探测器的识别字段和命令字段。命令字段功能上可分为端口配置字段、时序字段、端口I/O操作字段，格式上可分为命令标识和命令参数，存储方式如图4。
所述驱动探测器的装置，系统控制器2的软件执行步骤如下，流程如图5：
(I)开始；
(II)识别线阵探测器类别：识别模块2-2对识别器4输出的识别字段进行判断，确定线阵探测器的型号，并输出给驱动信息模块2-1；
(III)获取驱动信息：驱动信息模块2-1从驱动信息存储器3读取驱动信息。如果识别模块2-2输出的识别字段是线阵探测器1的类别代码，则需要在驱动信息存储器3里面搜索线阵探测器1的驱动信息存储区段的地址，然后再获取信息；如果该识别字段是线阵探测器1的驱动信息在驱动信息存储器3内的存储区段地址，就可以通过访问该地址直接获取驱动信息。
(IV)对驱动信息进行译码执行，有以下几部分工作。
(IV-1)端口配置：端口配置模块2-3根据端口配置的命令字段，输出控制信号到端口配置器5的控制信号输入端，对系统控制器2的输出端口和线阵探测器1的时序脉冲输入端口的连接顺序进行配置；
(IV-2)产生多路时序驱动脉冲：多路时序脉冲发生模块2-4根据驱动信息模块2-1输出的驱动脉冲信息，产生多路时序脉冲输入到端口配置器5的输入端，经过端口配置器5配置输出顺序后输出到线阵探测器1的时序脉冲输入端口。
(IV-3)自适应功能控制：自适应功能控制模块2-5根据线阵探测器1的识别字段和输出图像信号经由A/D转换器11数字化后数值的大小，设置可编程增益放大器9的放大倍数，并输出控制信号启动或关闭相关双采样器10。
(IV-4)控制A/D转换：控制A/D转换器11工作，将线阵探测器1输出的图像信号数字化，并存储到数字存储器12中。
(IV-5)驱动信息模块2-1根据获得的时序字段，协调控制步骤IV-2、步骤IV-3、步骤IV-4的操作过程。
(V)输出/显示：扩展与接口模块2-6通过扩展与通信接口13，输出或者显示测量结果。
(VI)结束
所述驱动线阵探测器的装置，驱动信息模块2-1对驱动信息存储器3内的驱动信息进行译码执行的流程如图6：
(16)开始；
(17)读取开始标识，该地址以后的存储内容都是驱动信息；
(18)读取命令字段；
(19)判断是否是结束标识，如果是就是驱动信息已经读取完成，跳到步骤(24)，如果不是需要读取命令并操作跳到步骤(20)；
(20)判断命令标识，来判断命令的类型，获得该命令参数的长度；
(21)读取命令参数；
(22)执行命令，控制系统控制器2进行操作；
(23)程序指针指向下一个命令字段的地址，准备读取下一个命令字段；
重复(18)~(23)的步骤，直到步骤(24)结束
所述驱动探测器的装置，扩展或升级驱动新的其他型号线阵探测器的方法如下，如图7：
(25)更换新的探测器1；
(26)针对新的线阵探测器1更换缓冲电路6、直流偏置校正电路7、前置放大滤波电路8；
(27)将新的识别字段写入识别器4，可以更换存储有与新的线阵探测器相对应的识别字段的识别器，也可以是上位机通过扩展与通信接口13控制系统控制器2把该识别字段写入识别器4中。识别字段可以是新的线阵探测器的类别代码或在驱动信息存储器3内该线阵探测器的驱动信息存储区段的地址；
28)在驱动信息存储器3的存储空间内，在识别字段对应的地址上附加存储新的驱动信息；
29)新的驱动完成。
下面结合Sony、Toshiba、Hamamatsu三个公司的有代表性的4款线阵探测器对驱动信息存储器3和端口配置方式进行详细的补充说明：Sony生产的线阵CCD ILX554B、Toshiba的TCD1304AP、Hamamatsu的NMOS PDA S3924-1024Q，CMOS PDA S8378-1024Q。这四种探测器驱动时序互不相同，区别见下表：
| 各探测器的不同点 | ILX554B | TCD1304AP | S3924-1024Q | S8378-1024Q |
| 类型 | CCD | CCD | NMOS PDA | CMOS PDA |
| 直流偏置类型 | 负向 | 负向 | 负向 | 正向 |
| Reset电平 | 2.85V | 2.5V | 2.5V | 1V |
| 相关双采样器(CDS) | 可选采用 | 否 | 否 | 否 |
| 饱和电压 | 1V | 0.6V | 0.57V | 2.5V/3.2V |
| 电子快门功能 | 否 | 是 | 否 | 否 |
各线阵探测器相应的识别器4分别存储了四种线阵探测器的16进制类别代码0x01(ILX554B)、0x02(TCD1304AP)、0x03(S3924-1024Q)、0x04(S8378-1024Q)。驱动信息存储器3划分了4块信息存储区段，依次存储各个线阵探测器的驱动信息文件，包括标识字段、端口设置字段、功能设置字段、表述时序脉冲的操作字段包括端口I/O操作和延时长短，其中命令标识和命令参数的格式定义如下：
| 命令标识 | 格式 | 需要字节数 | 命令格式的解释 |
| P | P Portc Portd | 3 | 用于端口配置，表示系统控制器2的Portc端口和线阵探测器的端口Portd相连 |
| D | D X | 2 | 进行I/O端口操作，赋值为X，X可以是字节，可以是字(2个字节)，也可以是双字(4个字节)，视所需的端口数。本实施例中，所需端口数少于8个，因此X采用字节，即8bit二进制数 |
| W | W X | 3 | 延时，延时X个时间单位t，t由主控芯片的时钟和定时电路决定，X设成双字节 |
| G | G X | 2 | PGA放大X倍，X为字节 |
| C | C b | 2 | 相关双采样器开启(b＝1)或关闭(b＝0) |
| M | M | 1 | CDS第一次采样 |
| N | N | 1 | CDS第二次采样 |
| S | S | 1 | 命令没有参数，A/D转换工作 |
| R | R X1 X2 | 4 | 重复命令，将命令以下X1条命令重复X2次，X1，一个字节，X2 2个字节 |
| 0x00 | 00000000b | 1 | 开始标识 |
| 0xFF | 11111111b | 1 | 结束标识 |
按照上表的格式，驱动信息存储器存储的实际内容如下，其中以ILX554B为例详细说明，其中字符存储为字符的asii码，‘*’表示高低电平状态0/1不确定，解释列中的线阵探测器的端口和时序字母定义参考Sony的ILX554B产品的说明书。
端口配置模块2-3根据驱动信息模块2-1输出的端口配置的信息对系统控制器2的多路时序脉冲输出端口和线阵探测器1的输入端口连接映射进行匹配，四种线阵探测器的端口匹配示意关系如图8，系统控制器2的多路时序脉冲输出端口的PORT0、PORT1、PORT2分别与ILX554B的φCLK、φROG、SHSW相连；系统控制器2的多路时序脉冲输出端口的PORT0、PORT1、PORT2分别与TCD1304AP的φM、ICG、SH相连；系统控制器2的多路时序脉冲输出端口的PORT0、PORT1、PORT2、PORT3分别与S3924-1024Q的φ1、φ2、Resetφ、φST相连；系统控制器2的多路时序脉冲输出端口的PORT0、PORT1、PORT2分别与S8378-1024Q的CLK、ST、EOS相连。端口配置器5起到了连通系统控制器2与线阵探测器1之间不同端口的作用。同时，端口配置器5保留了若干冗余端口以适应对驱动脉冲输入端口数要求不同的线阵探测器。如果系统控制器2的端口驱动能力不足，可将多路时序驱动脉冲再经过端口配置器5以后先输入到缓冲器中调整电压、提高驱动能力以后再输入至线阵探测器。
系统控制器2可选用LATTICE公司的CPLD ispMACH4256V-75T144C，A/D转换器11、相关双采样器10、可编程增益放大器9可选用集成三者功能的TI公司的VSP3100，驱动信息存储器3可选用EEPROM atmel公司的AT28C010，数据存储器12采用ISSI公司的SRAMIS61LV12824-8，识别器4选用atmel公司生产的EEPROM 24c01，端口配置器5选用ADI公司的AD8156。可选用的线阵探测器1可选用hamamatsu公司生产的S8380/S8381/S5930/S5931/S3921/S3922/S3923/S3924/S3901/S3902/S3903/S3904/S8377/S8378系列，Sony生产的ILX551/ILX751/ILX553/ILX554/ILX511/ILX511系列，Toshiba生产的TCD1201/TCD1205/TCD1209/TCD1304/TCD1305/TCD1706/TCD1708系列等等。
Claims (3)
1、一种驱动线阵探测器的装置，含有线阵探测器部分和控制电路部分，线阵探测器部分依次由线阵探测器(1)、缓冲电路(6)、直流偏置校正电路(7)和前置放大滤波电路(8)串联组成，其特征在于，所述控制电路部分含有：系统控制器(2)、驱动信息存储器(3)、识别器(4)、端口配置器(5)、输入端与所述前置放大滤波电路(8)输出端相连的可编程增益放大器(9)、相关双采样器(10)、A/D转换器(11)、数据存储器(12)以及扩展与通信接口(13)，其中：
驱动信息存储器(3)，与所述系统控制器(2)互连，是一个闪烁存储器，其存储空间划分为多个驱动信息存储区段，依次存储多个所述线阵探测器(1)相关的驱动信息，包括所述线阵探测器(1)的识别字段和命令字段，该命令字段包括端口配置字段、时序字段、以及端口I/O操作字段，在格式上分为命令标识与命令参数，
识别器(4)，与系统控制器(2)互连，该识别器是一个EEPROM，存储有用高低电平的组合表示的识别字段，用于区别所述线阵探测器(1)的类别序号，或者存储所述线阵探测器(1)的驱动信息存储区段的地址，
端口配置器(5)，输入端与所述系统控制器(2)的某些输出端口相连，该端口配置器(5)的各输出端口与所述线阵探测器(1)的各输入端口相连，该端口配置器(5)提供了所述系统控制器(2)和线阵探测器(1)之间的端口连接顺序并进行连接，
系统控制器(2)，是一个数字集成电路芯片，其中含有：识别模块(2-2)、端口配置模块(2-3)、多路时序脉冲发生模块(2-4)、自适应功能控制模块(2-5)、以及驱动信息模块(2-1)，此外还有扩展与接口模块(2-6)，其中：
识别模块(2-2)，分别与所述识别器(4)和驱动信息模块(2-1)互连，该识别模块(2-2)对所述识别器(4)输出的识别字段进行判断，把经过判断后确定的所述线阵探测器(1)的类别代码表示的类别型号输往所述驱动信息模块(2-1)，
端口配置模块(2-3)，各输入端与所述驱动信息模块(2-1)的各输出端相连，而该端口配置模块(2-3)的各输出端则与所述端口配置器(5)的控制信号输入端口相连，以控制所述端口配置器(5)，实现所述系统控制器(2)与所述线阵探测器(1)端口之间的顺序连接，
多路时序脉冲发生模块(2-4)，驱动信息输入端与所述驱动信息模块(2-1)的对应的输出端相连，而该多路时序脉冲发生模块的输出端则把多路时序脉冲输入到所述端口配置器(5)的输入端，
自适应功能控制模块(2-5)，识别字段信息输入端与所述驱动信息模块(2-1)对应的输出端相连，而该自适应功能控制模块(2-5)的打开/关闭控制信号输出端与所述相关双采样器(10)的输入端相连，而该自适应功能控制模块(2-5)的放大倍数控制信号则与所述可编程增益放大器(9)的输入端相连，
驱动信息模块(2-1)，与所述驱动信息存储器(3)互连，根据所述线阵探测器(1)的类别代码，在所述驱动信息存储器(3)内搜索所述线阵探测器(1)的驱动信息存储区段的地址并读取驱动信息，或者根据所述线阵探测器(1)的驱动信息存储区段地址直接通过访问该地址来取得驱动信息，并根据该驱动信息中的时序字段来协调并依次控制所述多路时序脉冲发生模块(2-4)、自适应功能控制模块(2-5)以及所述A/D转换器(11)的操作过程，把所述线阵探测器(1)输出的图像信号数字化，存储于所述数据存储器(12)中，并通过所述扩展和接口模块(2-6)由所述扩展与通信接口(13)输出并显示，该扩展与接口模块(2-6)是与所述数据存储器(12)互连的。
2、根据权利要求1所述的一种驱动线阵探测器的装置，其特征在于，在替换新型号的线阵探测器时，首先更换所述装置的线阵探测器部分，然后需向所述识别器(4)写入与新的线阵探测器相对应的识别字段，并由所述系统控制器(2)在所述驱动信息存储器(3)内与新的识别字段对应的地址上存储新的驱动信息。
3、根据权利要求1所述的一种驱动线阵探测器的装置，其特征在于，所述识别器(4)是一种跳线开关或者模拟开关，通过改变高低电压的选通状态来输出识别字段。
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| 基于CPLD 的红外焦平面阵列驱动电路的设计. 殷建军，丁瑞军.半导体光电，第29卷第1期. 2008 * |
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