emccd信號采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

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1、EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)-->1緒論FPGA內(nèi)部程序模塊與外部連接關(guān)系如上圖所示，其中白色模塊為FPGA內(nèi)部?！姥?，深色模塊為外部端口及電路模塊。FPGA內(nèi)部模塊由時序發(fā)生模塊、Nios控制核、數(shù)據(jù)管理模塊以及視頻產(chǎn)生模塊構(gòu)成。FPGA內(nèi)部模塊與模擬驅(qū)動板上時序驅(qū)動模塊、AD芯片、增益控制模塊，控制板上SDRAM芯片、SRAM芯片，以及輸出背板上的DM9000A、ADV7123芯片相連。系統(tǒng)設(shè)計中利用FPGA高速、并行處理能力強的特點，采用VHDL語言構(gòu)建了時序發(fā)生模塊、數(shù)據(jù)管理模塊以及

2、視頻產(chǎn)生模塊，同時利用基于FPGA的SOPC技術(shù)構(gòu)建了Nios控制核。曝光期間進入EMCCD的光子在成像區(qū)中轉(zhuǎn)化成電荷，曝光結(jié)束EMCCD進入帖轉(zhuǎn)移階段，在頓轉(zhuǎn)移階段成像區(qū)的電荷整體轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)中。在頓轉(zhuǎn)移完成后進入圖像信號檢測過程，首先，存儲區(qū)中的信號電荷整體向下移動一行，存儲區(qū)中最后一行信號電荷轉(zhuǎn)移到讀出寄存器中，這一過程即為行轉(zhuǎn)移。行轉(zhuǎn)移結(jié)束后進入串行讀出階段，在串行讀出階段中轉(zhuǎn)移入讀出寄存器中的信號串行轉(zhuǎn)移到讀出放大器，將圖像信號轉(zhuǎn)換成電壓輸出。一次行轉(zhuǎn)移和串行讀出過程讀出CCD中一行圖像

3、數(shù)據(jù)，為了讀出所有的圖像數(shù)據(jù)需要進行多次的行轉(zhuǎn)移及行讀出，直到所有圖像都讀出。本文對EMCCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)及工作原理進行研究，從EMCCD信號釆集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)構(gòu)建、系統(tǒng)硬件設(shè)計和系統(tǒng)軟件開發(fā)等方面，全面論述了基于FPGA的EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)功能和設(shè)計，實現(xiàn)EMCCD圖像信號的采集及傳輸功能，并對EMCCD信號釆集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進行測試分析。論文主要工作包括：1.在研究EMCDD圖像采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，確定EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)進行合理的模塊劃分。2.對EMC

4、CD圖像傳感器的成像過程以及驅(qū)動時序信號進行研究分析設(shè)計EMCCD工作時序，采用VHDL語言利用有限狀態(tài)機方法設(shè)計實現(xiàn)EMCCD圖像傳感器的工作時序。3.針對系統(tǒng)硬件構(gòu)建自定義IP核，編寫相應(yīng)的驅(qū)動函數(shù)，利用SOPCBuilder構(gòu)建系統(tǒng)控制核硬件。4.在SOPCBuilder生成的硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，利用NiosIIIDE開發(fā)環(huán)境進行系統(tǒng)軟件開發(fā)，實現(xiàn)計算機與信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通訊控制功能。5.對EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)各模塊和整個系統(tǒng)進行測試分析。本論文組織結(jié)構(gòu)如下：第一章為緒論部分。

5、對微光成像器件以及EMCCD研究現(xiàn)狀進行了介紹，給出論文主要工作及論文結(jié)構(gòu)。第二章介紹了EMCCD以及以及系統(tǒng)整體設(shè)計。這一章介紹了EMCCD芯片結(jié)構(gòu)，并以EMCCD圖像傳感器工作過程為主線介紹了EMCCD的工作原理，比較了幾種圖像采集系統(tǒng)的特點，完成EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案。第三章詳細介紹了EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計。在對TC253圖像傳感器深入分析的基礎(chǔ)上設(shè)計了EMCCD驅(qū)動時序模塊，同時為了實現(xiàn)對硬件系統(tǒng)的靈活控制，針對硬件系統(tǒng)特點設(shè)計了自定義IP核及其驅(qū)動程序，采

6、用SOPCBuilder構(gòu)建Mos控制核，最終使用QuartusII軟件完成系統(tǒng)硬件架構(gòu)。第四章介紹了系統(tǒng)軟件開發(fā)。在第三章構(gòu)建的硬件系統(tǒng)上進行軟件開發(fā)，本章對NiosII軟件開發(fā)以及TCP/IP協(xié)議作了介紹，編寫網(wǎng)口控制芯片的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的以太網(wǎng)通訊功能，最后介紹了系統(tǒng)的工作流程。第五章為系統(tǒng)測試與分析，在這一章中首先對構(gòu)成EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的各模塊組件進行測試，最后對整個系統(tǒng)進行成像測試分析。第六章為總結(jié)與展望部分。本章對全文工作內(nèi)容進行總結(jié)，指出設(shè)計中存在的不足以及進一步改

7、進方向。3EMCCD系統(tǒng)硬件設(shè)計…………………123.1時序發(fā)生模塊…………………123.1.1時序分析…………………143.1.2時序設(shè)計…………………163.2數(shù)據(jù)管理模塊…………………214EMCCD系統(tǒng)軟件開發(fā)…………………434.1Nios軟件開發(fā)…………………434.1.1HAL系統(tǒng)庫介紹…………………434.1.2NiosIIIDE工程結(jié)構(gòu)…………………434.1.3設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計…………………444.2網(wǎng)絡(luò)傳輸…………………484.3軟件系統(tǒng)工作流程…………………515系統(tǒng)測試及

8、分析…………………535.1CCD時序發(fā)生模塊測試…………………545.2自定義IP核測試…………………565.2.1AD9945配置IP核測試…………………565.2.2增益控制核測試…………………575.3網(wǎng)絡(luò)測試…………………585.4上位機程序測試…………………605.5系統(tǒng)成像測試…………………61總結(jié)本文以TI公司生產(chǎn)的TC253型EMCCD芯片為圖像傳感器，釆用FPGA芯片作為控制核心，實現(xiàn)了EMCCD信號采集與數(shù)據(jù)傳輸功能，并對系統(tǒng)進行測試分析，具體工作總結(jié)如下：1