0 引 言
在現(xiàn)代通信和雷達領(lǐng)域中，寬帶、高增益,、實時并行處理是現(xiàn)代接收機的重要標(biāo)志,。因而，這種具有高速并行處理能力和特有的大帶寬性能的聲光處理系統(tǒng)具有巨大的潛在優(yōu)勢,。以聲光器件為基礎(chǔ)的接收機除了具有寬帶,、高增益、實時并行處理等特點外,，還具有容量大,，體積小，功耗低等優(yōu)點,。因而,，采用聲光信號處理技術(shù)解決帶寬、高增益和實時并行處理問題具有重要意義,，聲光信號的采集系統(tǒng)的設(shè)計是整個聲光系統(tǒng)關(guān)鍵之一,。這里設(shè)計了一個基于FPGA和USB 2．0的高速CCD聲光信號采集系統(tǒng)，為聲光信號采集提供了硬件平臺,。
1 系統(tǒng)概述
聲光信號采集系統(tǒng)框圖如圖1所示,。系統(tǒng)主要由CCD聲光信號采集模塊、A／D轉(zhuǎn)換模塊,、FPGA驅(qū)動和控制模塊及USB接口傳輸模塊四部分組成,。
系統(tǒng)上電后，USB設(shè)備按照上位機的命令完成對,。FPGA數(shù)據(jù)采集參數(shù)的初始化設(shè)置及采集控制,。RL2048P在驅(qū)動時序的嚴(yán)格控制下工作，采集的模擬信號經(jīng)專用CCD信號處理芯片AD9822的相關(guān)雙采樣及模／數(shù)轉(zhuǎn)換后,，緩存在EP2C35內(nèi)部配置的FIFO中,，然后判斷當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)達到2 048 B時，向USB控制器CY7C68013A中異步寫數(shù)據(jù),，由于USB設(shè)置自動IN模式,，可以直接把FIFO中數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上位機硬盤文件中，因而可完成CCD聲光信號的采集,、傳輸及存儲,。
2 系統(tǒng)各模塊設(shè)計
系統(tǒng)各模塊設(shè)計為：
FPGA驅(qū)動及控制模塊 系統(tǒng)采用Altera公司的CycloneⅡ系列,。EP2C35F672C6芯片，具有高性價比及豐富的邏輯資源,，可滿足系統(tǒng)的要求,。有4個PLL，33 216個LE,，48 KB存儲器資源,，可以配置成各種模式的ROM，RAM及,。FIFO,，35個18×18的專用乘法器。FPGA的主要功能是產(chǎn)生RL2048P驅(qū)動時序,，控制AD9822采樣及對其寄存器實現(xiàn)串行編程,，內(nèi)部配置FIFO緩存數(shù)據(jù)以及與USB接口通信，并傳輸數(shù)據(jù)到上位機中,。
CCD聲光信號采集模塊 選用PerkinElmer公司的RL2048P線陣CCD,。該芯片主要用于高速信號采集，2 048個有效像元,，具有高靈敏度,、大動態(tài)范圍、寬光譜范圍等特點,，最高工作頻率為40 MHz,，該系統(tǒng)設(shè)計為10 MHz。EP2C35的時序驅(qū)動輸出是3．3 V的LVTTL電平,，不能直接驅(qū)動RL2048P(多電平要求),。因此，使用DG642和74FCT16244TV芯片完成電平轉(zhuǎn)換,，增強驅(qū)動能力,。圖2為RL2048P驅(qū)動時序圖；圖3為使用Verilog HDL編寫驅(qū)動時序的QuartusⅡ仿真,。由比較可見,，設(shè)計完全能滿足時序的嚴(yán)格要求。
A／D轉(zhuǎn)換模塊 AD9822是ADI公司的專用CCD信號處理芯片,，內(nèi)部集成CDS,，PGA，14位ADC,、暗電平自動校準(zhǔn),、偏置電壓控制以及串行接口等功能，采樣速度高達15 MHz,。ADCCLK的下降沿輸出數(shù)據(jù)的高8位,，ADCCLK的上升沿輸出數(shù)據(jù)的低6位,。AD9822采樣控制時序及寄存器編程都是由EP2C35實現(xiàn)，與RL2048P輸出信號同步,，保證采集數(shù)據(jù)的正確性,。采用相關(guān)雙采樣模式可以抑制CCD的復(fù)位噪聲，本系統(tǒng)設(shè)置其寄存器分別為0x0058,，0x10C0,，0x2000，0x50FF,。
USB接口傳輸模塊 USB 2．0協(xié)議的傳輸速度高達480 Mb／s,，且具有接口簡單及誤碼率低等優(yōu)點，能夠滿足該系統(tǒng)高速傳輸?shù)男枰?。選用Cypress公司的新一代低功耗CY7C68013A芯片，與之相應(yīng)的開發(fā)包和開發(fā)文檔較齊全,，縮短了開發(fā)周期,，降低了開發(fā)難度。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，CY7C68013A工作于SlaveFIFO模式,，不需要EZ-USB FX2LP的CPU干預(yù)，即可完成與FPGA的數(shù)據(jù)傳輸,。EP2C35與CY7C68013A的通信采用了Slave FIFO模式下的異步方式,，向大端點EP6寫數(shù)據(jù)，配置其為512 B四重緩沖區(qū),，批量AUTO IN傳輸模式,，每次自動提交512 B數(shù)據(jù)。圖4為EP2C35與CY7C68013A的接口連接,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括：
固件程序(Firmware)設(shè)計 設(shè)備固件的主要功能是控制CY7C68013A接收并處理USB驅(qū)動程序的請求,。如請求設(shè)備描述符，請求或設(shè)置設(shè)備狀態(tài),，請求或設(shè)置設(shè)備接口等USB 2．0標(biāo)準(zhǔn)請求,；輔助硬件完成設(shè)備的重新枚舉、端點配置,、控制和監(jiān)測USB的活動,，根據(jù)PC主機的命令與外圍電路進行數(shù)據(jù)交換等。Cy-press公司為用戶提供了一個固件程序框架,，是通用性強的模塊化程序,。在框架的基礎(chǔ)上，用戶只需要編寫Function．c文件即可完成USB功能開發(fā),。主要包括：Slave FIFO模式的初始化和用戶自定義請求,。
驅(qū)動程序開發(fā) 系統(tǒng)包括兩個USB驅(qū)動程序：一個驅(qū)動專用于下載芯片的固件程序CCDloader．sys,，另一個通用驅(qū)動程序ccdusb．sys用來實現(xiàn)USB設(shè)備與應(yīng)用程序的通信和控制。芯片固件程序在主機上,，當(dāng)系統(tǒng)上電時,，前者將其下載到芯片的RAM中，并由增強型8051微處理器執(zhí)行,。當(dāng)固件下載完成后,，模擬一次斷開重新連接，此時下載的固件響應(yīng)USB枚舉,，并加載USB設(shè)備通用驅(qū)動程序,。USB的驅(qū)動程序是WDM類型，可以使用Windows DDK,，WinDriver,，DriverStudio開發(fā)。
應(yīng)用程序開發(fā) 它的主要任務(wù)是與USB驅(qū)動程序通信,，控制聲光信號采集過程,。在此用Visual C++6．0進行程序設(shè)計。CyAPI控制函數(shù)類為FX2LP系列USB接口芯片提供了十分精細的控制接口,，只需在應(yīng)用程序中加頭文件CyAPI．h和庫文件CyAPI．lib即可調(diào)用相應(yīng)的控制函數(shù),，打開USB設(shè)備讀取數(shù)據(jù)并存儲到主機硬盤中的CcdData．txt文件。
4 實驗數(shù)據(jù)分析
使用TEKTRONIX公司的示波器,，對經(jīng)過隔直處理后的RL2048P輸出信號在各種實驗條件下進行了測試和分析,。如圖2所示，VOUT為像元輸出信號,，每一個像元輸出信號的開始都有一個同步參考信號,，后面部分才為有效信號輸出，由于CCD輸出信號為負極性信號,，所以有效信號值相對于參考信號為負,。
圖5為全暗條件RL2048P的輸出，由于光敏面上沒有光,，只有暗電平信號輸出,，所以像元的輸出有效信號幾乎為零。圖6為弱光條件RL2048P的輸出,，有效信號幅值發(fā)生了變化,。圖7為全亮條件RL2048P的輸出，有效信號到達了飽和值,。RL2048P的實際輸出和理論分析一致,，工作正常。聲光信號通過中間有孔的不透光遮擋板照在CCD上，使用應(yīng)用軟件進行數(shù)據(jù)采集,。從CCD Data．txt數(shù)據(jù)文件中連續(xù)提取8 192個像元點即四幀CCD數(shù)據(jù),，Matlab軟件分析如圖8所示。
有光照射的位置對應(yīng)為高,，實測數(shù)據(jù)和理論值吻合,。在其他條件下也做相關(guān)實驗，結(jié)果與理論基本一致,。由于篇幅所限,，本文不做詳細介紹。實驗結(jié)果表明,，系統(tǒng)功能完整,，可以實現(xiàn)聲光信號的高速采集、傳輸及儲存,。
5 結(jié) 語
系統(tǒng)采用現(xiàn)場FPGA作為硬件設(shè)計核心,，使用Veritog語言。進行硬件描述,，使系統(tǒng)更靈活,，可在線編程，便于擴展和升級,。這里的CCD驅(qū)動時序采用狀態(tài)機與分頻相結(jié)合的新方法,，實際測試驅(qū)動波形穩(wěn)定且沒有毛刺,，CCD輸出信號質(zhì)量高,。USB應(yīng)用于Slave FIFO高速傳輸模式，滿足了高速CCD聲光信號采集的要求,，具有實時性,、高速、穩(wěn)定,、可靠等特點,。