基于FPGA的CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)

　　4 用 FPGA器件實(shí)現(xiàn)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器

　　4.1 FPGA技術(shù)及FPGA器件

　　FPGA－現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列技術(shù)是二十年前出現(xiàn)，而在近幾年快速發(fā)展的可編程邏輯器件技術(shù)。這種基于EDA技術(shù)的芯片正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主流。大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路（ASIC）。設(shè)計(jì)人員利用它可以在辦公室或?qū)嶒?yàn)室里設(shè)計(jì)出所需的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間，降低了開(kāi)發(fā)成本。此外，F(xiàn)PGA還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過(guò)編程來(lái)修改。因此，F(xiàn)PGA技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。

　　XC2VP20-FF1152 是Xilinx 公司推出的Virtex-II Pro 系列的FPGA，它內(nèi)部有豐富的資源［5］，包括8 個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM），290Kbits 的分布RAM，88×16kByte 的Block RAM，88 個(gè)18×18 的專用乘法器（Dedicated Multipliers）單元，2 個(gè)PowerPC405 內(nèi)核，564 個(gè)可配置I/O 引腳達(dá)（最多276 對(duì)差分I/O，速度高達(dá)3.125Gbps），最高內(nèi)部工作頻率420MHz。

　　4.2 基于FPGA的科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器的設(shè)計(jì)與仿真

　　IL-E2型TDI-CCD的像元數(shù)有每行512，1024和2048三種，本文以2048像元數(shù)為例設(shè)計(jì)時(shí)序電路。2048為有效像元數(shù)，由于每行有5個(gè)隔離像元，4個(gè)暗參考像元，故設(shè)計(jì)中要保證最少使每行輸出2057個(gè)像元，也就是使每個(gè)行周期內(nèi)最少有2057個(gè)CR1、CR2、RST驅(qū)動(dòng)脈沖。每行除了2057個(gè)像元驅(qū)動(dòng)脈沖以外，其余為空驅(qū)動(dòng)脈沖。空驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)越多，行周期時(shí)間越長(zhǎng)，CCD曝光積分時(shí)間越長(zhǎng)，靈敏度相應(yīng)提高，但過(guò)長(zhǎng)的曝光積分時(shí)間會(huì)使CCD輸出飽和失真，故空驅(qū)動(dòng)脈沖數(shù)目不易過(guò)多。積分時(shí)間和像元移位讀出時(shí)鐘頻率是CCD時(shí)序電路的設(shè)計(jì)依據(jù)。在工程應(yīng)用中，我們根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，算出行積分時(shí)間即行周期（T）為0.365ms，以此確定合適的系統(tǒng)主時(shí)鐘。驅(qū)動(dòng)時(shí)序用超高速集成電路硬件描述語(yǔ)言（VHDL）編寫，程序主要包括：（1）調(diào)用所需的庫(kù)函數(shù)和程序包；（2）定義輸入和輸出端口；（3）用計(jì)數(shù)器對(duì)輸入的系統(tǒng)主時(shí)鐘進(jìn)行分頻。（4）驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的產(chǎn)生和輸出。由XILINX公司的設(shè)計(jì)軟件ISE6.2對(duì)XC2VP20-FF1152器件進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)，通過(guò)時(shí)序仿真與工程應(yīng)用驗(yàn)證了能完成上述所有功能。系統(tǒng)邏輯功能時(shí)序仿真波形如圖4所示

　　圖4時(shí)序發(fā)生器時(shí)序仿真圖

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文的創(chuàng)新是采用FPGA 器件設(shè)計(jì)科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器， 使得電路由原來(lái)復(fù)雜的設(shè)計(jì)變成主要只用一片XILINX公司的可編程器件XC2VP20-FF1152來(lái)實(shí)現(xiàn)。獨(dú)立的單元測(cè)試與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果均表明： 采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA） 技術(shù)實(shí)現(xiàn)CCD相機(jī)時(shí)序發(fā)生器， 可使電路成倍簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的集成度，時(shí)序發(fā)生器抗干擾能力也增強(qiáng)了，其功耗也成倍降低，從而實(shí)現(xiàn)了科學(xué)級(jí)CCD 相機(jī)工作時(shí)的高可靠性、穩(wěn)定性，同時(shí)還使設(shè)計(jì)與調(diào)試周期成倍縮短。該設(shè)計(jì)方案為TDI-CCD在科學(xué)級(jí)CCD相機(jī)中的應(yīng)用開(kāi)拓了更加廣闊的前景。