CCD相机自诞生以来一直以噪声低、动态范围大、灵敏度高而受到广泛使用,尤其是在天文成像、显微成像等追求高成像质量的相机系统中,有着更为广泛的应用并向着智能化的应用场景发展。本文以完整的制冷CCD天文相机系统为设计目标,从硬件和软件系统以及机械结构等三个方面进行研究和设计。在相机硬件设计上,深入研究CCD工作原理及时序,利用AD9928芯片的时序发生器产生满足CCD工作的驱动波形。同时,利用AD9928高度集成的16位模拟前端,完成对CCD输出模拟像素信号的处理。相对于传统的CCD相机系统,简化了外围电路,保证了较高的像素位深度,更好地抑制了 CCD的噪声。此外,利用FPGA的灵活性,巧妙地将整个系统中各个芯片之间的不同接口连接起来,实现数据通道和控制信号通道的稳定传输。半导体制冷片的使用则有效地解决了天文相机由于长时间曝光所引起的暗电流噪声等问题。同时,引入PID控制算法,实现整个相机系统温度的自动控制,具有高效性和实用性。此外,通过对CCD时序的调整,实现了长曝光、外触发、Binning等特色功能,使得相机更加适于天文拍摄的具体应用场景。在硬件电路设计上,采用图像采集与FPGA主控分离的设计,保证不同的图像传感器可使用相同的主控电路板,提升不同传感器相机系统的通用性,缩短开发周期,有利于相机系统的小型化和系列化。在机械设计方面,根据帕尔帖散热原理,巧妙解决了制冷模块的散热问题,取得了很好的散热效果。在相机应用软件设计上,根据天文制冷相机的特点及需求,设计了集相机控制、图像采集、图像预处理和图像显示于一体的相机应用软件。同时,利用MVC的软件设计模式思想,对软件进行界面层、模型层和控制层的独立设计,降低了程序的耦合性,便于功能、算法的扩展。其中,界面层主要由相机控制面板、图像采集显示面板和图像处理菜单构建;模型层主要包括图像流水线处理和软件SDK开发包的封装;控制层则主要完成相机基本控制、制冷控制和暗场校正。其中的暗场校正是针对天文相机实际应用而特别设计的,软件的SDK,则方便用户根据自身需求对软件进行二次开发。最后利用我们建立的整体组织与结构,设计研制的基于AD9928的不同CCD型号的四款天文制冷相机,软硬件调试均达到预期效果。实验结果表明,研制的CCD制冷相机能有效地抑制天文拍摄中长时间曝光带来的噪声,大大提高图像信噪比,确保高质量地捕获低照度下天文图像。同时,该相机系统具备高速、稳定的图像传输能力,系统整体功耗满足USB3.0的功耗要求。