基于FPGA的面陣CCD成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：采用SONY行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD ICX415AL作為圖像傳感器，設(shè)計(jì)了一款新型CCD成像系統(tǒng)。以Altera公司的FPGA芯片EP1C12F256作為時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)信號(hào)。采用相關(guān)雙采樣技術(shù)濾除了視頻信號(hào)中的相關(guān)噪聲，提高信噪比。在QuartusⅡ9．1開發(fā)環(huán)境下采用VHDL編程，并利用Modelsim SE 6．5仿真軟件進(jìn)行訪真測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的時(shí)序滿足ICX415AL的時(shí)序要求，在29．5 MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下，每秒輸出50幀圖片，能滿足高速跟蹤要求。
關(guān)鍵詞：行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD；驅(qū)動(dòng)時(shí)序；相關(guān)雙采樣；FPGA

0 引言
CCD(Charge Coupled Device)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導(dǎo)體集成光電器件，它可以把通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到其上的景物可見光信號(hào)轉(zhuǎn)換成比例的電荷包，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移，從而輸出成為電壓視頻圖像。CCD具有集成度高、功耗小、體積小、工作電壓低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用與空間遙感、對(duì)地觀測(cè)等領(lǐng)域。
按結(jié)構(gòu)分類，CCD可分為線陣CCD和面陣CCD，而面陣CCD按排列方式又可分為全幀轉(zhuǎn)移(Full Frame)CCD、幀轉(zhuǎn)移(Frame Transfer)CCD以及行間轉(zhuǎn)移(Interline Transfer)CCD。三種類型的CCD各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中行間轉(zhuǎn)移CCD不需要機(jī)械快門，速度最快，最適合用于觀測(cè)快速運(yùn)動(dòng)的物體。本文設(shè)計(jì)了一種行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD的高速驅(qū)動(dòng)電路。

1 行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD的結(jié)構(gòu)和工作模式
本設(shè)計(jì)采用的是SONY公司的ICX415AL型號(hào)CCD芯片，ICX415AL是行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD，對(duì)角線為8 mm，尺寸為8．3 μmx8．3 μm，總像元素為823(H)×592(V)，有效像元為782(H)x582(V)。它不僅具有高靈敏度、低暗電流的特性，而且還具有優(yōu)秀的抗開花技術(shù)。ICX415AL還具有連續(xù)可變的電子快門功能，可以通過(guò)控制曝光時(shí)間，獲得不用曝光條件下的圖像。
ICX415AL的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，感光單元與存儲(chǔ)單元相鄰排列，相當(dāng)若干個(gè)單邊傳輸?shù)木€陣CCD按垂直方向排列，在積分時(shí)間結(jié)束后，感光單元電荷轉(zhuǎn)移到相鄰的存儲(chǔ)單元，在垂直轉(zhuǎn)移脈沖V1，V2，V3的共同作用下一行一行的轉(zhuǎn)移至水平移位寄存器，在水平轉(zhuǎn)移脈沖H1，H2和復(fù)位脈沖RG的共同作用下經(jīng)放大器讀出。

2 行間轉(zhuǎn)移面陣CCD的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
整個(gè)電路設(shè)計(jì)如圖2所示，它主要包括偏置電路、時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路、視頻信號(hào)處理單元等。下面分別介紹這幾個(gè)部分。
ICX415AL偏置電路設(shè)計(jì)包括電源電壓以及各種驅(qū)動(dòng)時(shí)序電壓。經(jīng)仔細(xì)分析得出，CCD的垂直轉(zhuǎn)移信號(hào)電壓為-7．5 V，0 V，15 V三個(gè)級(jí)次，水平移位信號(hào)和復(fù)位信號(hào)電壓為5 V，基底信號(hào)電壓為22．5 V，FPGA供電電壓為3．3 V。綜合CCD供電系統(tǒng)要求，選用24 V作為外部電壓，使用YD12-24S15芯片獲得15 V和-12 V電壓，利用YDl6-24S05芯片獲得5 V電壓。分別將-12 V和5 V電壓經(jīng)過(guò)芯片LM2991和芯片LT1764EQ轉(zhuǎn)換為-7．5 V和3．3 V電壓，這樣就獲得了整個(gè)電路所需要的電壓。
時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，對(duì)成像效果至關(guān)重要，因此，時(shí)序驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。ICX415AL芯片有3種驅(qū)動(dòng)模式：逐行掃描模式、場(chǎng)讀出模式和中心掃描模式。其中逐行掃描模式具有較高的分辨率，且在29．5 MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下可以達(dá)到每秒50幀圖像，滿足設(shè)計(jì)的需要，因此本設(shè)計(jì)采用逐行掃描模式。在該模式下，CCD需要7個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1，V2，V3，水平轉(zhuǎn)移時(shí)鐘H1和H2，復(fù)位時(shí)鐘信號(hào)RG，以及控制曝光時(shí)間的基底時(shí)鐘SUB。CCD的一個(gè)周期包括感光階段和轉(zhuǎn)移階段。在感光階段，給基底提供一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，在信號(hào)高電平期間，CCD處于偏置階段，開始收集電荷，儲(chǔ)存電荷的多少取決于外界光亮度以及曝光時(shí)間。當(dāng)垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1，V2，V3出現(xiàn)一個(gè)如圖3所示的三相電平信號(hào)時(shí)，感光階段結(jié)束，成像單元電荷以電荷包的形式轉(zhuǎn)移到相鄰的存儲(chǔ)單元。轉(zhuǎn)移階段分為垂直轉(zhuǎn)移和水平轉(zhuǎn)移。垂直轉(zhuǎn)移包含625個(gè)循環(huán)，每循環(huán)一次，電荷沿垂直方向移動(dòng)一行，最后一行移入水平寄存器，然后在水平移位時(shí)鐘H1，H2和復(fù)位時(shí)鐘RG的作用下完成944個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)輸出一個(gè)像元信息。復(fù)位時(shí)鐘RG用于將浮置擴(kuò)散節(jié)點(diǎn)的電荷清除掉，以便能準(zhǔn)確測(cè)量下一個(gè)點(diǎn)荷包。