復刻Cam84項目：手搓CCD相機（ICX453傳感器）
??集帥們，CCD撅撅子??，拍出來的照片太好看了救命??
注意：Cam8X系列的設計都已經過時了，不建議按照原版電路1:1復刻，如果想做的話，見文末---硬件上犯的錯誤---來對原版設計進行修正。
另外原文是用Markdown寫的，所以有些地方的格式可能會有些奇怪（B站什么時候才能直接支持Markdown捏）
WHY
所以為什么突發(fā)奇想搞這么個東西，其實是和群友吹水時候聊到了自制相機，想著閑著也是沒事干不如找點事情做。
HOW
傳感器
從和群友的吹水中得知，ICX453這塊CCD傳感器比較合適，另外CCD相機的配套電路設計也比較簡單，有Cam8X系列相機設計參考，我選的Cam84?，F(xiàn)在回過頭來看Cam84設計有許多缺陷，如果想要自己做的話，Cam86和87是不錯的參考。
關于這塊傳感器，索尼并沒有給出公開的對應資料。不過ICX453和ICX413的設計比較相近，而ICX413的手冊是公開的，時序什么的參考413就好了（大概）
配套電路
額，上面說CCD的配套電路簡單，其實也不算很簡單，主要是以下幾個部分
??? CCD驅動芯片：產生垂直驅動信號（這玩意的時序和電平自己調特陰間）
?? ?
??? IP：一個圖像處理芯片，包含了CDS/SH/ADC這些關鍵部件。分開來也不是不行，但是分開來做的話，工程難度以及最主要的---噪聲水平會顯著增加（如果設計得很好另說）
??? 電源芯片：想要驅動一個CCD電路，需要產生+15/-8的供電，所以需要實現(xiàn)對應的正負電源
?? ?
??? MOS驅動：CCD功耗不大，但FT2232直推不現(xiàn)實，所以要用MOS驅動。
??? 控制器：原版Cam84使用了FT2232來將連接電腦并發(fā)送控制信號。不過我后期打算使用ESP32來控制并采集儲存圖像
原件的具體型號就不列了，Cam84的BOM表和電路圖都有給出
拼起來
既然整套電路都是圍著傳感器設計的，那不妨先讀一下傳感器的時序圖（熱知識，這個階段其實不用操心這個）
手冊看一晚上我都沒得出是啥玩意，google了半天，真的沒一個人解釋的，感覺全世界就我不懂CCD驅動。
但畢竟人家也沒料到會有多少愛好者來手搓這些玩意，所以資料寫的模糊一些挺正常，所以我決定先跳過時序這一部分，直接用現(xiàn)成的軟硬件把東西搓出來，然后再自己去理解。
硬件設計
對照著Cam84的電路圖，我在立創(chuàng)EDA里面把相機的電路畫出來，相對應的做了一些改動：
??? 1.小型化（但是好像沒啥用，因為第二點打破了）
??? 2.模塊化（將原本一個板子的事情拆成了前端、電源、控制三部分），這樣比較方便我研究時序信號。其實原作者在電路里面加入了很多跳針，這也是為了方便測試。另外原版是作為天文相機使用，時鐘頻率比較低，讀出慢。將控制部分拆開后可以隨時更換更快的主控來提高讀出速度
設計的原則還是盡可能的保證重要信號不過孔，比如給Vout一條單獨的通路，GND使用鋪銅。各種時序信號也盡量保證等長（不過十幾MHz的信號應該不是很要緊）
最后幾張板子的圖如下
關于電源板的事在文末---硬件上犯的錯誤--會有解釋
購買零件
Wait What？這也值得單獨拿出來說嗎？至少我覺得這里面還是有點門道的
首先看看這玩意的原版BOM，其實算是比較雜的，有各種規(guī)格的無源器件，還有六七種芯片。在根據(jù)BOM找原件的過程中，根本做不到一家買齊所有。千萬別看錯型號，特別是貼片三極管、穩(wěn)壓器一類等只印代號的器件。我自己就是把LM和LP看錯，結果買了錯的LDO??。浪費時間又浪費錢。
除此之外，封裝確認也是個問題，特別是貼片這玩意，一不小心就會掉坑里，比如：三極管的封裝是DO-xxx，但是下面還會分為SMA、SMB、SMC三個小類。除此之外，像是電感、扼流器又是兩種不同的玩意，兩種東西又各自有幾種不同的封裝。
最后一點：如果遇到了買不到、難買、價格太高的零件怎么辦？比如原版BOM里面某種規(guī)格的鉭電容，電容電阻在不影響功能前提下可以替換成近似的（比如濾波電容、限流電阻）
對于芯片IC，還可以優(yōu)先考慮拆機片商家，先看看拆機片商家賣多錢，問問供貨情況。這招對于已停產、冷門型號、熱門造假型號比較好用。并且拆機片也沒那么不堪，畢竟芯片不容易壞，買的時候多買幾顆就行。
組裝
貼片原件的焊接方法主要有兩種：1.直接上烙鐵 2.用熱板
我選擇用熱板。其實熱板這東西嘛，也不用買專門的。直接搜LED拆焊熱板，買個功率最小的就好了?？赡苡薪涷灥腟MT仙人要跳出來說了：WTF，你這樣做是不好的?。。?/strong>
不過，根據(jù)嘉立創(chuàng)的SMT服務參數(shù)來看，如果你不加錢上高級產線的話，SMT的溫度在250c左右，正好就是大部分不可控拆焊板的溫度。
yes yes I know，如果你想要做嚴肅的SMT焊接，可控的溫度曲線是非常重要的，這樣才能滿足錫膏的熔點特性。但咱就是說，既然只是偶爾做做SMT回流焊，就別講究那么多了??大不了烙鐵補一補。
板級測試
當所有東西（除傳感器）焊接好之后，做個簡單的Smoke Test，摸摸芯片有沒有發(fā)燒的??，萬用表量一下各級電壓是否符合設計需求，如果都OK的話，看好CCD的方向，焊接到板子上。
正常情況下，我這里用的8V可調電源供電，前端（帶傳感器）靜態(tài)電流應當在0.06A附近，讀取時最大電流也剛好在0.1A出頭。如果大于這個數(shù)值肯定不正常。另外要提一點，我的采集板由USB口供電，如果前端和采集整合在一起（就是Cam84原版設計）要加上對應電流。
如果遇到遇到電流大于這個的情況，一般有兩種：
前端電流上升到0.11A待機0.15A讀取，ADC也伴隨著不正常的發(fā)熱：大概率ADC寄。
電流巨大，同時正負電源電壓嚴重拉低：估計CCD焊反。
將電源PCB單獨制作的好處就是能方便測量各路電壓，同時可以有選擇性的斷開某一路供電來排除錯誤。原版Cam84的設計是All in one，也使用了跳線排針和跳線帽來達到相同目的。
當然，如果有示波器的話可以看看波形對不對。將電源和控制板連接，打開軟件，按下拍攝按鈕。下面是我自己測量的一些波形（注意，只有當CCD連接到板后，垂直驅動的電壓波形才會和手冊對應）
垂直驅動
水平驅動
外殼設計
使用了堪稱反人類的FreeCAD來折磨自己，這么個簡單的東西畫了四天三夜
Tip：你可以不用去自己把卡口給畫出來，只需要上網搜索“Sony E mount cover 3D model”，然后截取適當?shù)拈L度即可。E卡口法蘭距是18mm，即保證傳感器平面到鏡頭卡口的平面距離是18mm
最后拼起來是這樣的（底殼沒裝因為要做測量）
硬件上犯的錯誤
傳感器方向看反/封裝失誤
這個真的難繃，為此還廢了一個傳感器
有三個注膠孔和三個定位環(huán)
我一開始把注膠孔當成定位環(huán)，結果插上去傳感器直接短路??，炸了。
而且傳感器的引腳間距比ICX413的大了一些（目測大2~3mm），然后不得不把傳感器引腳掰彎一些才勉強塞下。畫板子一定要量實物啊??
針腳很密集的情況下直接用示波器探針去捅
嗯...然后把LDO燒了。
還沒完，LDO燒了之后擊穿，12V直通后端。我當時嚇的差點尿褲子，后端的ADC燒了的話得重新買（記住這句話）。還好換個LDO就正常了，沒把后端芯片的魔法煙霧放出來。
東西沒斷電就往上焊東西
雖然我的烙鐵有接地，并且我家的接地是有效的，但感應電還是把ADC（ADC:還是沒逃過）、MOS驅動、LDO（LDO:為什么又是我）給一套帶走了??，另外我ADC只買了兩片，而且第二片不懂是不是有問題還用不了。所以就這個原因得讓項目往后推幾天
熬夜畫板子
然后畫出來幾條錯的線，還好容易改，小刀加飛線解決。
晚上畫的板子還是得第二天起來再檢查檢查
板子的通孔畫太小
導致拆焊特別特別困難，清理不干凈。上面那個傳感器就是我拆焊的時候心態(tài)崩了，直接拿鉗子拽下來的。
照抄別人的方案（Cam84的不足）
emmm...其實本來也沒啥問題，但是cam84有許多設計不合理的地方
電源：
原方案使用的是TPS6513X正負電源芯片來產生垂直驅動所需要的+15v/-8v電壓，但至少在我手里沒能讓它成功跑起來，可能是畫板的問題，可能是芯片的問題，可能是焊接的問題......反正跑不起來就對了。
最后換成雙MAX686方案（電源板二），兩個686分別負責正電源和負電源，一次成功。
另外這個電源化簡為繁，能5V供電結果還整一堆LDO從12V降下來，后面測試發(fā)現(xiàn)這一整套的功耗也就8V*0.1A=0.8W，而且要注意我是從電源端進行測量的，電路中有個效率很低的LDO。整體改用5V直接供電，根據(jù)群友的說法，5V 500mA就可以滿足需求。
時鐘：
在cam84后續(xù)的設計（cam85/86）中，作者很明顯也意識到了不足，將時鐘信號的分工更加細化，由原來3條時鐘線變成我也懶得數(shù)反正多了好幾條。
不過讓我們先看看原版的騷操作，下面是我測量的讀出時序信號，從上到下依次為：Vout，RG，CDSCLK1，CDSCLK2
前置知識：CDS時鐘是下降沿觸發(fā)，Vout分為三個階段，分別是RG，RST，SIGNAL
**才意識到我的Vout在上面這圖稀爛，很難分辨RST階段，就是信號下降過程中的斜率變小那塊，所以我重新采集了一遍（其實是ADC炸了之后重測的幾次）**
從圖里面可以清楚看到三個階段（但是為啥信號階段會振鈴wtf）
具體的電路圖我就不貼出來了，簡單來說，原作者使用了非門、電容、電阻來調節(jié)RG、CDSCLK1、CDSCLK2。輸入信號為高時，開始為電容充電。若電容電壓超過邏輯門規(guī)定的“邏輯高電平”，邏輯門就會輸出0，那么在電容從0v充電到“邏輯高電平”的這段時間就是邏輯門輸出為“1”的時間。
又因為CDSCLK是下降沿觸發(fā)，假若我們想要增大觸發(fā)的延遲，即下降沿向后推遲，只需要增大電容，延長“0v--->邏輯高電平”的充電時間即可。
但是在實踐過程中，我發(fā)現(xiàn)電容超過一定容量后（我試出來大約是>=560pF），因為電容放電時間 > 時鐘周期，就會產生長短不一的輸出信號。所以這個調節(jié)也是有范圍的。
嘮完了采樣時鐘，其實水平時鐘也有著很大缺陷：那顆MAX4428。一看手冊猛如虎，實操起來2.5（MHz）。手冊說時鐘信號最大可達20MHz，結果一個10MHz，50%占空比的驅動信號就干趴下了??。50%占空比都驅動不了，其他更小的占空比真不敢想。所以我也在尋找一個pin2pin的替代方案。
所以cam84的時鐘電路設計就是一個“勉強能用的”糙品，抖動巨大，各種不確定性因素疊加在一起（比如電容自身的誤差），導致無論是ADC采樣時鐘，還是水平驅動信號都十分糟糕。but hey, it works :-)
HOLY SHIT! IT ACTUALLY WORKS!
錯誤軟件+屎一樣的信號路徑+沒有正確的鏡頭卡口
很納悶為啥出來是這效果，進行了一些調查后發(fā)現(xiàn)是ADC輸出線拉太長+用錯軟件導致的。
我原本以為ADC出來的不就是8位的并行數(shù)字信號嘛，而且頻率也不高，用杜邦線連起來應該不會有太大問題，結果nope。這玩意的損耗比我想象的大得多。最后讓采集板直接懟到輸出口上才徹底消除。
如果想拍星空用MaxIM肯定沒錯，但是對于日常拍攝來說顯然是不合適的。于是下載原版的Cam8View軟件，這下就正常許多，而且自帶Debyer（好耶）
另外鏡頭卡口的事情上面提過了
換了個軟件+調整信號路徑+有正確的鏡頭卡口和鏡頭+對上焦后
兩張圖拍攝的場景不同
上面這張我就知道個光圈1.8開滿(因為是手動鏡頭)，其他的東西諸如iso和快門速度之類的不詳
下一步就是研究cam84view的控制信號，以及讀出過程，將這個過程搬到ESP32上去做，并將得到的照片存儲到SD卡里
