基于VHDL的XRD44L60驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　電荷耦合器件(Charge Coupled Devices，簡(jiǎn)稱CCD)是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器。它利用光電轉(zhuǎn)換原理將圖像信息直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。由于CCD的輸出信號(hào)是負(fù)極性的離散模擬信號(hào)，并且混雜有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾，為了獲得高質(zhì)量信號(hào)，必須對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行直流箝位、相關(guān)雙采樣、低通濾波和放大等預(yù)處理，以消除各種干擾和噪聲。同時(shí)，為了便于計(jì)算機(jī)處理和大容量存儲(chǔ)，還必須對(duì)CCD輸出信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理。目前市場(chǎng)上CCD專用的視頻信號(hào)處理器件不僅具有雙采樣技術(shù)，而且還具有自動(dòng)暗電平補(bǔ)償、自動(dòng)增益和A／D轉(zhuǎn)換等功能。這里給出了一款CCD專用的視頻信號(hào)處理器件XRD44L60，并介紹了基于VHDL 的XRD44L60CPLD邏輯控制電路。

　　2 XRD44L60簡(jiǎn)介

　　XRD44L60是Exar公司CCD專用的視頻信號(hào)處理器件。該器件是針對(duì)CCD影像應(yīng)用產(chǎn)品而設(shè)計(jì)的。XRD44L60采用相關(guān)雙采樣 (Correlated Double Sampling，簡(jiǎn)稱CDS)技術(shù)提取圖像信息，可編程增益(Programmable Gain Amplifier，簡(jiǎn)稱PGA)控制范圍可達(dá)6 dB+38 dB，具有良好的輸人信號(hào)箝位和CDS輸入偏移校正性能，并提供暗電平箝位，給出準(zhǔn)確的暗電平參考。XRD44L60還有一個(gè)10位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16 MHz，便于CCD陣列信號(hào)的數(shù)字處理。此外，XRD4-4L60的串行接口包括一個(gè)10位的移位寄存器和多個(gè)并行寄存器，可用于編程設(shè)置其工作參數(shù)。 XRD44L60的電源電壓為3.0 V，功率為120 mW，適用于小型化嵌入式CCD數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)。

　　3系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　XRD44L60硬件電路設(shè)計(jì)如圖1所示。其中，In_Pos和In_Neg為模擬信號(hào)輸入端口，用于連接CCD的輸出信號(hào)。CLAMP，SHD，SHP 及RSTCCD為時(shí)鐘信號(hào)控制引腳，用于連接CPLD信號(hào)的輸出端，以控制器件工作。LOAD，SDI，SCLK為串行接口可編程設(shè)置XRD44L60的工作參數(shù)。DB0～DB9為10位數(shù)字信號(hào)輸出，可與信號(hào)處理單元連接。

　　4 XRD44L60的時(shí)序控制

　　采用可編程邏輯器件(CPLD)技術(shù)和VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD視頻信號(hào)處理器件XRD44L60的控制，使其完成CCD視頻信號(hào)的放大、噪聲處理及數(shù)字化，并輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。XRD44L60的工作時(shí)序需要根據(jù)具體的CCD器件來(lái)確定。下面以TCD1501D型CCD為例，介紹XRD44L60的工作時(shí)序。TCD1501D的工作頻率為1 MHz，CCD輸出信號(hào)周期為2μs，其外部時(shí)鐘輸入由有源晶體振蕩器提供，頻率為8 MHz。當(dāng)CLK_POL為低電平時(shí)，XRD44L60的時(shí)序如圖2所示。驅(qū)動(dòng)脈沖包括CCD復(fù)位脈沖RSTCCD、相關(guān)雙采樣暗電平時(shí)鐘SHP、相關(guān)雙采樣信號(hào)電平時(shí)鐘SHD、相關(guān)雙采樣箝位控制脈沖CLAMP。

　　4.1 RSTCCD脈沖的產(chǎn)生

　　由圖2可知，RSTCCD的周期為2μs，占空比為1：7。因此，可對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖16分頻，其高電平占2個(gè)周期的時(shí)鐘脈沖；低電平占14個(gè)周期的時(shí)鐘脈沖。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到15時(shí)，計(jì)數(shù)器清零，重新計(jì)數(shù)，相關(guān)程序源代碼如下：

　　4.2 SHD和SHP脈沖的產(chǎn)生

　　由圖2判斷出，SHD和SHP的周期均為2μs，占空比為1：1。因此，可采用上述方法獲得這兩個(gè)脈沖。
　　4.3 CLAMP脈沖的產(chǎn)生

　　CLAMP脈沖由CCD的輸出決定，即當(dāng)CCD的輸出信號(hào)為像元信號(hào)時(shí)，CLAMP為高電平；當(dāng)CCD的輸出信號(hào)為暗像元信號(hào)時(shí)，CLAMP為低電平。

　　5驅(qū)動(dòng)脈沖仿真波形

　　該沒(méi)計(jì)采用QuartusⅡ仿真軟件進(jìn)行仿真。仿真波形如圖3所示。其中，CLK和CCD為輸入信號(hào)；CLAMP，SHD，SHP及RSTCCD為XRD44L60的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

　　6 結(jié)語(yǔ)

　　基于VHDL的XRD44L60邏輯控制電路能夠產(chǎn)生滿足系統(tǒng)要求的驅(qū)動(dòng)脈沖，整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠達(dá)到預(yù)期效果。將VHDL應(yīng)用于XRD44L60時(shí)序電路設(shè)計(jì)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、靈活、可靠，因此可廣泛用于使用CCD的影像產(chǎn)品中。