Семейство контроллеров DINACON

С 1998 г. в лаборатории разработано пять поколений универсальных ПЗС‑контроллеров семейства DINACON (DSP‑based Intelligent Array Controller). На основе цифровых методов обработки видеосигнала ПЗС-матриц достигнуты рекордные значения шума считывания, линейности и стабильности видеоканала, необходимые для методов точной фотометрии и спектрофотометрии. Обработка включает оптимальную фильтрацию видеосигнала из его смеси с шумом, стабилизацию передаточной характеристики «свет‑цифровые отсчеты» и ее линеаризацию. Контроллер также обеспечивает стабильность режимов ПЗС‑матрицы.

Для повышения стабильности преобразования заряда в электрический сигнал был разработан и применен метод «компенсации дифференциальной проводимости сток‑исток МОП‑транзистора выходного усилителя ПЗС‑матрицы». Впервые в мировой практике нами предложена (RU2480717C1) и реализована концепция оптимальной противошумовой фильтрации видеосигнала ПЗС‑матрицы посредством использования согласованного цифрового фильтра. Это позволило достичь в 2000 г. рекордно низкого шума считывания ПЗС – 1,7 электрон (Markelov S.V., et al).

Контроллер позволяет программно задавать уровни управляющих напряжений и сигналов фотодетектора, форму развертки управляющих сигналов, телеметрировать значения управляющих напряжений и уровни управляющих сигналов. Также можно задавать и телеметрировать температуру фотодетектора и стабилизировать ее с точностью ±0,05°С.

DINACON‑I

Контроллер DINACON‑I имеет модульную архитектуру. Три типа модулей (Системный контроллер, Генератор/Драйвер и Видеопроцессор) имеют в качестве основы процессоры цифровой обработки сигнала типа ADSP‑21062 (Analog Devices) и связаны между собой скоростными последовательными интерфейсами.

В данном контроллере впервые реализован согласованный цифровой фильтр для противошумовой обработки видеосигнала. Модуль Видеопроцессора имеет 2 видеоканала. Связь с управляющим компьютером выполняется посредством стандартного сетевого адаптера Ethernet 10 Мбит/с.

DINACON‑II

Контроллер DINACON‑II построен на базе 32‑разрядных процессоров ADSP‑21161 SHARC, 16‑разрядных процессоров ADSP‑BF535 Blackfin. Видеопроцессор имеет 4 видеоканала, максимальное число видеоканалов в системе – 16.

Увеличена производительность интерфейса с управляющим компьютером – используется волоконно‑оптический кабель длиной до 200 м и стандартный сетевой адаптер Ethernet 100 Мбит/с.

DINACON‑III

Контроллер DINACON‑III имеет модернизированную архитектуру в части интерфейсов и коммуникаций.

Отличие от DINACON‑II заключается в том, что контроллер разделен на две части: аналоговую камерную электронику и удаленный цифровой системный контроллер. Это позволило уменьшить выделение тепла в камере.

Камерная электроника содержит несколько видеоканалов с аналого‑цифровыми преобразователями и программируемые драйверы управляющих сигналов фотодетектора. Системный контроллер реализован в виде платы расширения шины PCI управляющего компьютера. Он включает 2 процессора ЦОС, которые управляют ПЗС‑камерой и обрабатывают цифровой видеосигнал.

Возросший поток необработанных цифровых видеоданных передается из камеры в системный контроллер посредством модуля GigaStar по волоконно‑оптической линии связи длиной до 500 м со скоростью 1 Гбит/с в обоих направлениях. Выросла максимальная скорость обработки видеоданных в видеоканале до 16 Мпиксель/с для управления быстрыми фотоприемниками.

DINACON‑IV

Архитектура DINACON‑IV разработана с целью обеспечения работы больших производительных мозаичных камер. Древовидная топология соединения модулей позволяет с большей точностью синхронизировать процессы во всех матрицах.

Модули имеют минимум внешних связей и легко компонуются на камере оптимальным образом. В качестве процессорных элементов вместо процессоров ЦОС используются программируемые логические матрицы высокой степени интеграции (ПЛМ). Видео-процессор имеет 2 видеоканала, максимальное число видеоканалов в системе – 16.

Связь с компьютером осуществляется по оптоволоконной линии производительностью 1,2 Гбит/с. Со стороны управляющего компьютера имеется два модуля – фреймграббер Matrox Solios eV‑CL (или Matrox Helios eCL) и конвертер интерфейсов. Конвертер интерфейсов преобразует проводной интерфейс фреймграббера стандарта Camera Link в оптоволоконное соединение модулей GigaStar. Расстояние между управляющим компьютером и ПЗС-камерой – до 500 м.

Контроллер обеспечивает привязку времени старта экспозиции кадров видеоданных к системе единого времени.

DINACON‑V

Контроллер DINACON‑V имеет наращиваемую распределенную архитектуру. Функции драйвера и видеопроцессора объединены в одном модуле, что делает систему более компактной. Число видеоканалов в отдельном модуле увеличено с 2‑х до 4‑х.

Контроллер позволяет обслуживать мозаичные детекторы с числом видеовыходов до 256 и с суммарной производительностью считывания до 10 Гбит/с, что делает возможным построение на его основе гигапиксельных мозаичных ФПУ с секундными временами считывания.

Характеристики универсальных ПЗС-контроллеров ведущих обсерваторий

	SDSU-III (ARC)	NGC (ESO)	MONSOON (NOAO)	DINACON-IV (САО РАН)	DINACON-V (САО РАН)
Архитектура
Топология	Линейная	Линейная	Линейная	Древовидная	Звезда + линейная
Межмодульные коммуникации	Общая шина	Фибер, 2,5 Гбит/с	–	LVDS, до 4 порт/модуль, 1,2 Гбит/с/порт	LVDS, 2 порт/модуль, 2,5 Гбит/с/порт
Внешние коммуникации	Фибер, 0,2 Гбит/с	Фибер, 2,5 Гбит/с	Фибер, 1,0 Гбит/с	Фибер, 1,2 Гбит/с	Фибер, 10,0 Гбит/с
Обработка сигнала
Число модулей видеопроцессоров	6	6	2	8	64
Видеоканалов/модуль	2, 8 (ПЗС), 2, 8 (ИК)	4 (ПЗС), 8 (ИК)	4 (ПЗС), 8 (ИК)	2 (ПЗС), 4 (ИК)	4 (ПЗС), 8 (ИК)
Динамический диапазон, бит	16	16, 18	16, 18	14-18	16-18
Макс. скорость, Мпиксель/с/канал	1,0	1,3	0,5	16,5	40,0
Число напряжений/модуль	8	18	16	8	28
Управление фотодетектором
Число модулей драйверов	4	6	2	4	64
Временное разрешение, нс	40	20	25	2	2
Амплитудное разрешение, бит	8	14	12	12	12
Число управляющих сигналов/модуль	24	18	16	24	25