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轉換模塊、FPGA驅動和控制模塊及USB接口傳輸模塊四部分組成。

    系統(tǒng)上電后，USB設備按照上位機的命令完成對。FPGA數據采集參數的初始化設置及采集控制。RL2048P在驅動時序的嚴格控制下工作，采集的模擬信號經專用CCD信號處理芯片AD9822的相關雙采樣及模／數轉換后，緩存在EP2C35內部配置的FIFO中，然后判斷當FIFO中的數據達到2 048 B時，向USB控制器CY7C68013A中異步寫數據，由于USB設置自動IN模式，可以直接把FIFO中數據傳輸到PC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)各模塊設計
    系統(tǒng)各模塊設計為：
    FPGA驅動及控制模塊 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的主要功能是產生RL2048P驅動時序，控制AD9822采樣及對其寄存器實現(xiàn)串行編程，內部配置FIFO緩存數據以及與USB接口通信，并傳輸數據到上位機中。
    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)設計為10 MHz。EP2C35的時序驅動輸出是3．3 V的LVTTL電平，不能直接驅動RL2048P(多電平要求)。因此，使用DG642和74FCT16244TV芯片完成電平轉換，增強驅動能力。圖2為RL2048P驅動時序圖；圖3為使用Verilog HDL編寫驅動時序的QuartusⅡ仿真。由比較可見，設計完全能滿足時序的嚴格要求。

    A／D轉換模塊 AD9822是ADI公司的專用CCD信號處理芯片，內部集成CDS，PGA，14位ADC、暗電平自動校準、偏置電壓控制以及串行接口等功能，采樣速度高達15 MHz。ADCCLK的下降沿輸出數據的高8位，ADCCLK的上升沿輸出數據的低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，保證采集數據的正確性。采用相關雙采樣模式可以抑制CCD的復位噪聲，本系統(tǒng)設置其寄存器分別為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)高速傳輸的需要。選用Cypress公司的新一代低功耗CY7C68013A芯片，與之相應的開發(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。為了保證數據傳輸的速度，CY7C68013A工作于SlaveFIFO模式，不需要EZ-USB FX2LP的CPU干預，即可完成與FPGA的數據傳輸。EP2C35與CY7C68013A的通信采用了Slave FIFO模式下的異步方式，向大端點EP6寫數據，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數據。圖4為EP2C35與CY7C68013A的接口連接。

3 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件設計包括：
    固件程序(Firmware)設計 設備固件的主要功能是控制CY7C68013A接收并處理USB驅動程序的請求。如請求設備描述符，請求或設置設備狀態(tài)，請求或設置設備接口等USB 2．0標準請求；輔助硬件完成設備的重新枚舉、端點配置、控制和監(jiān)測USB的活動，根據PC主機的命令與外圍電路進行數據交換等。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。
    驅動程序開發(fā) 系統(tǒng)包括兩個USB驅動程序：一個驅動專用于下載芯片的固件程序ccdloader．sys，另一個通用驅動程序ccdusb．sys用來實現(xiàn)USB設備與應用程序的通信和控制。芯片固件程序在主機上，當系統(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USB枚舉，并加載USB設備通用驅動程序。USB的驅動程序是WDM類型，可以使用Windows DDK，WinDriver，DriverStudio開發(fā)。
    應用程序開發(fā) 它的主要任務是與USB驅動程序通信，控制聲光信號采集過程。在此用Visual C++6．0進行程序設計。CyAPI控制函數類為FX2LP系列USB接口芯片提供了十分精細的控制接口，只需在應用程序中加頭文件CyAPI．h和庫文件CyAPI．lib即可調用相應的控制函數，打開USB設備讀取數據并存儲到主機硬盤中的CcdData．txt文件。

4 實驗數據分析
    使用TEKTRONIX公司的示波器，對經過隔直處理后的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，使用應用軟件進行數據采集。從CCD Data．txt數據文件中連續(xù)提取8 192個像元點即四幀CCD數據，Matlab軟件分析如圖8所示。

    有光照射的位置對應為高，實測數據和理論值吻合。在其他條件下也做相關實驗，結果與理論基本一致。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 語
    系統(tǒng)采用現(xiàn)場FPGA作為硬件設計核心，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驅動時序采用狀態(tài)機與分頻相結合的新方法，實際測試驅動波形穩(wěn)定且沒有毛刺，CCD輸出信號質量高。USB應用于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。