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用于天文观测的CCD相机系统的研究

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:详细介绍紫金山天文台红外实验室开发的CCD相机系统的软硬件设计。根据柯达CCD芯片KAF-0401LE的时序要求,用复杂可编程逻辑器件(CPLD)实现了CCD的时序;采用相关双采样技术降低探测信号噪声;用89C51作下位机控制,通过RS232与上位计算机通信;系统控制软件采用Visual C++编写。

    关键词:CCD CPLD 相关双采样 控制系统 串口通信

引言

CCD通常分为3个等级;商业级、工程级和科学级。3个级别的要求一级比一级高。衡量CCD的性能主要从以下几个方面:量子效率和响应度、噪声等效功率和探测度,即动态范围和电荷转移效率等。科学级CCD以其高光子转换效率、宽频谱响应、良好线性度和宽动态范围广泛用于天文观测,已成为望远镜测必不可少的后端设备。国内各天文台望远镜终端都是从外围引起的成套设备,使用和维护很不方便,并且价格昂贵,因此国内迫切需要发展自己的CCD技术。紫金山天文台红外实验室对这一课题进行了深入研究,广泛调研,认真选取,(范文先生网www.fwsir.com收集整理)从芯片开始一直到系统的软硬件设计,搭建了自己的CDD相机系统。

1 系统设计

CCD芯片决定相机系统的性能,为此我们广泛调研,最后选定柯达公司的KAF-0401LE芯片。它动态范围大(70dB),电荷转移效率高(0.999 99),波长响应范围宽(0.4μm~1.0μm),低暗电流(在25℃条件下,7pA/cm2),量子效率为35%,并且具有抗饱和性,能够满足科学观测的要求,既可用于光谱分析,又可用于成像观测。

系统设计的重点是解决CCD芯片的驱动和系统噪声的问题。我们的设计如下:采用柯达公司的KAF-0401LE芯片作为探测器,Ateml公司的带闪存Flash的89C51作下位机控制器,复杂可编程逻辑作(CPLD)作时序发生和地址译码,采用相关双采样技术降低噪声,自带采样保持的12位A/D转换顺AD1674进行模数转换,扩展8片128Kbit(628128)的RAM作1为帧图像暂存空间,通过RS232与计算机串口通信,接受计算机的控制。整个系统由图1所示几个功能部件组成。

1.1 时序信号发生电路

KAF-0401LE芯片的时序要求:积分期间φV1φV2保持低电平;行转移期间φH1保持高电平,φH2保持低电平。每行开始φV1的第2个脉冲下降沿后,要有1个行转移建立时间tφHs,读完行后需延迟1个像素时间te才开始下一行φV1脉冲;同样,φV1第2分脉冲下降沿后,开始下一行转移,如此直到读完1帧。

复杂可编程逻辑器件(CPLD)以其高度集成、灵活、方便的特点,在电路设计中运用越来越广泛。Altera公司的复杂可编程逻辑器件EPM712SLC84-15具有2500个可用逻辑门,128个宏单元,8个逻辑块,最大时钟可达147.1MHz,带有68个可供用户使用的I/O引脚,PLCC封装,可通过JTAG接口实现在线编程。我们选用EMP7128SLC84-15,通过硬件描述语言(VHDL)在集成开发环境MAX PLUS II下完成逻辑设计;编译后,通过JTAG接口下载到电路板上的EPM7128SLC84-15中,实现了KAF-0401LE芯片的时序要求。
用于天文观测的CCD相机系统的研究
    MAX PLUS II虽然有很丰富的元件库,但并不是针对某一应用而开发的,具有通用性,调用它固有的元件库可能造成资源的浪费,没有必要。因此我们按照需求,编制了自己的元件库,然后在程序中作为元件调用。在本系统中,仅用1片EPM7128LC84-15就实现了CCD的时序要求、暂存RAM和接口扩展芯片8255的片选和地址译码,既简化耻电路的硬件设计,提高了系统可靠性,又降低了成本。交流时序条件要求如表1所列。

表1

描    述 符号 最小值 正常值 最大值 φH1、φH2时钟频率/MHz fH

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