线阵CCD图像采集系统综述

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摘要：文中介绍了ccd发展现状及工作原理、USB 2.0协议、CPLD相关知识以及TWAIN协议，总结了线阵CCD图像采集系统的组建方法。

关键词：CCD; USB 2.0; CPLD; TWAIN

中图分类号：TN949.119

文献标识码：A

引 言

自1970年美国贝尔实验室研制成功第一只电荷耦合器件（CCD）以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，以及其体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠、寿命长等一系列优点，在短短不到40年的时间里得到了飞速发展。如今其应用领域涉及到生产生活及国防事业中，如航天、航空、遥感、卫星侦察、相机、机器人视觉等各个领域。尤其是近些年由于机器人视觉的快速发展，对视觉传感器的速度、精度都提出了更加苛刻的要求，同时也促进着CCD的发展。

1 CCD简史

美国是世界上最早开展CCD研究的国家,也是目前投入人力、物力、财力最多的国家,在此应用研究领域一直保持领先的地位。贝尔实验室是CCD研究的发源地,并在CCD传感器及电荷域信号处理研究方面保持优势。麻省理工学院林肯实验室、宇航局喷气推进研究室、罗姆空间发展中心以及SRI David Sarnoff研究中心在CCD及其应用等方面的研究保持着雄厚的实力，并形成了具有较大规模的实验研究中心。此外，还有无线电公司、通用电气公司、仙童公司、福特航空公司及EG&G公司等。在CCD传感器和应用电视技术方面，美国高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等CCD摄像机占有绝对优势。这些产品不仅价格昂贵，而且又受到国家的严格管制。

日本是目前世界上CCD的生产大国，在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备，基本上包揽了世界大部分市场。日本的CCD技术起步较晚，但发展极快，特别是日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力。索尼公司在1979年用三片242(H)×242(V)像素高密度隔列转移CCD像感器首先实现了R、G、B分路彩色摄像机。1980年，日立公司首先推出单片彩色CCD摄像机。1998年日本采用拼接技术开发成功了16，384×12，288像素即(4，096×30，72)×4像素的CCD图像传感器。由于日本本国的新产品更新换代速度很快，所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。

法国也是开展CCD技术研究较早的国家之一，汤姆逊无线电公司(CSF)和EEV公司是世界上生产和开发CCD产品的著名厂家。

此外，英国通用电气公司(GEC)和荷兰的飞利浦公司在CCD技术的研究开发上也很著名。

我国的CCD研制工作起步比较晚，目前落后日欧美等先进国家10年以上。我国自行研制的第一代普通线阵CCD(光敏元为MOS结构)和第二代对蓝光响应特性好的(光敏元为光电二极管阵列)CCPD已形成系列产品；面阵CCD也基本上形成了系列化产品。除可见光CCD外，国内目前还研制出了硅化铂肖特基势垒红外CCD。目前国内正在研制和开发的CCD有:512×512像素X射线CCD、512×512像素光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像素帧转移可见光CCD、1，024×1，024像紫外CCD、1，024×1，024像素X射线CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。但目前国内CCD器件的研究进展尚不够迅速，与国际先进水平相比差距还很大 。

2 复杂可编程逻辑器件

CPLD是Complex Programmable Logic Device 的简称，一种较PLD复杂的逻辑元件。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法 ，生成相应的目标文件，通过下载电缆JTAG 方式将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。

发展历史及应用领域 ：

20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件――PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件――CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。

由于具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品小批量生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件 已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。

3 通用串行总线

USB(Universal Serial Bus) 是一种通用串行总线，主要用于PC与USB设备的互联。近年来，USB接口以其快速、即插即用、使用安装方便等优点逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前，国内外采用USB 1.1和USB 2.0两种规范。USB 1.1主要用于低速传输要求的场合，支持1.5Mb/s和12Mb/s两种传输速率；而USB 2.0规范则提供高达480Mb/s的传输速率 。

4TWAIN简介

4.1引起 TWAIN 的问题

在早期的桌面出版时代，多数出版物只包含文本和激光打印机输出的简单黑白线图。 但近年来，计算机软硬件已经变得更加完善。 商业专家和图形艺术家现在能够生成和输出复杂的全彩色出版物。 这些接近商业品质的作品包括黑白、灰度和彩色图像，它们来自台式和手持扫描仪、静止录像、数码相机或图像捕获板。

技术的发展意味着厂商面临挑战：为客户不断提供用于高效易用计算过程的硬件。 但是，图像采集仍然是一个困难的过程。 要获得图像并将它置于出版物中，必须使程序能够自动工作。 查找并打开硬件驱动程序，设置设备选项，采集图像、将其保存到磁盘、关闭硬件驱动程序，然后返回程序，这些是必须的步骤， 然后从磁盘中查找和读入图像。 此过程耗时并且繁琐，而在按需集成实时采集图像的要求日益增加的情况下，尤其如此。

4.2 TWAIN 如何提供解决方案

当出现图像采集问题时，硬件和软件开发者开始定义自己的图像采集接口。 这一步骤的方向正确，但很快，大量专有接口不是最终解决方案这个问题变得明显了。 不可能要求一位软件开发者为需要支持的每台设备编写驱动程序。 相反，要求硬件厂商编写不同的驱动程序与每个程序连接也不现实。 最重要的是，用户必须应付许多不同程序/设备驱动程序文件，这让人无法接受。

解决方案就是开放的业界接口，它直接从外源，同时在程序内获取图像数据。 为此，每位软件开发者支持一个标准的数据采集管理器，而每位硬件厂商为其设备编写一个驱动程序。 由于硬件厂商只需要为其设备提供一个标准驱动程序，然后可用于所有支持标准数据采集接口的程序，因此厂商会受益。 软件厂商将从编写和支持设备驱动程序或为自己的专有接口请求支持中解放出来。

由于一个接口将支持编写这些设备驱动程序的厂商、软件厂商也将受益。 这些好处能够将较少的驱动程序置于操作系统级别，并且利用从大量程序中采集的图像。

4.3 体系架构

TWAIN 为与 TWAIN 设备普遍连接的符合 TWAIN 的程序提供一种简单的方法。 程序与输入数据来源的交互方式模型可以通过下列四层协议加以描述： 应用层、协议层、获取层和设备层。

TWAIN 体系架构的硬件接口元素是源代码。 源代码是 TWAIN 实体，其目的是从硬件设备获得数据，并将它提供给兼容 TWAIN 的程序。 源代码通常由硬件厂商编写，以控制外设。 尽管虚拟设备（如图像数据库）也符合源代码模型，但这些设备通常是物理硬件，如扫描仪，设备可以在本地连接或通过网络远程访问。

此体系架构的中心元素是 Source Manager（SM）。 SM 的主要作用是建立和管理程序与来源间的连接。 SM 允许用户选择希望的来源，装卸选定的来源，确保来自特定程序的所有调用都正确传送到相应的来源。 SM 在 Macintosh 机上作为源代码，而在 MicrosoftWindows 中是动态链接库（DLL）。 在 Windows 中，在任何时间，内存中只有一个活动的 SM 副本。 在 Macintosh 上，对于每个访问的程序，都存在独立的 SM 副本。 当程序需要与来源通信时，它使用正确的编址消息调用 SM， 程序从来不直接调用来源。

结 论

线阵CCD图像采集系统：可利用CPLD作为核心控制，在为线阵CCD提供驱动脉冲的同时，还要完成整个系统中其它部件，如A/D、USB芯片等器件之间的协调工作。软件部分则主要基于TWAIN协议完成TWAIN源。

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作者简介：吕国皎（1985-）男，成都电子机械高等专科学校电气与电子工程系助教、硕士研究生，主要研究方向为电子科学与技术，E-mail:。