基于FPGA的TDI－CCD時(shí)序電路的設(shè)計(jì)

1 引言

CCD(Charge Coupled Devices)，即電荷耦合器件，它是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件,是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年首先提出來的^【1】。30年來, CCD的研究取得了驚人的進(jìn)步,已成為現(xiàn)代光電子學(xué)和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)中最活躍、最富有成果的新興領(lǐng)域之一。尤其是在攝像方面的應(yīng)用, CCD圖像傳感器具有體積小、重量輕、功耗小等優(yōu)點(diǎn),在分辨率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時(shí)傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性也是其它攝像器件無法比擬的。而在CCD的使用中，不同型號(hào)的CCD器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序不同，因此快速、方便地設(shè)計(jì)出CCD的時(shí)序電路成為應(yīng)用技術(shù)中的關(guān)鍵^【2】。

2 TDI-CCD器件結(jié)構(gòu)、工作原理及特性

TDI (Time Delay and Integration)是一種掃描方式,它是一項(xiàng)能夠增加線掃描傳感器靈敏度的技術(shù)。TDI-CCD的結(jié)構(gòu)像一個(gè)長方形的面陣CCD，但從功能上說它是一個(gè)線陣CCD。其工作過程是基于對(duì)同一目標(biāo)多次曝光，通過延時(shí)積分的方法，以增加等效積分時(shí)間，增強(qiáng)光能的收集。它的列數(shù)是一行的像元數(shù)，行數(shù)為延遲積分的級(jí)數(shù)M。工作原理如下：某一行上的第一個(gè)像元在第一個(gè)曝光積分周期內(nèi)收集到的信號(hào)電荷并不直接輸出，而是與同列第二個(gè)像元在第二個(gè)積分周期內(nèi)收集到的信號(hào)電荷相加，相加后的電荷移向第三行…… CCD最后一行第M 行的像元收集到的信號(hào)電荷與前面（M-1）次收集到的信號(hào)電荷累加后轉(zhuǎn)移到輸出移位寄存器中，按普通線陣CCD的輸出方式進(jìn)行讀出。由此可見，CCD輸出信號(hào)的幅度是M 個(gè)像元積分電荷的累加，即相當(dāng)于一個(gè)像元的M 倍積分周期所收集到的信號(hào)電荷，輸出幅度擴(kuò)大了M 倍。在TDI-CCD中，根據(jù)不同的應(yīng)用背景，積分級(jí)數(shù)M 可設(shè)計(jì)為6，12，24，48，96等可調(diào)。由于TDI-CCD的曝光時(shí)間與使用的TDI級(jí)數(shù)成比例，通過改變TDI級(jí)數(shù)，即改變了可見光CCD的曝光時(shí)間。因此，可見光TDI-CCD用于成像系統(tǒng)，在不改變幀頻的情況下，通過改變TDI級(jí)數(shù)，可以在不同的照度下正常工作，這是非常有義的。隨著TDI級(jí)數(shù)增加，信號(hào)隨TDI級(jí)數(shù)M成線性增加，而噪聲隨TDI級(jí)數(shù)成平方根增加，TDI-CCD 的信噪比(SNR)可以增加 倍。TDI-CCD 另一個(gè)特點(diǎn)是通過多次曝光可減少像元間響應(yīng)不均勻和固定圖形噪聲的影響?；谝陨咸攸c(diǎn)，TDI-CCD在航天、航空等領(lǐng)域有著非常廣泛的用途。在航空和航天遙感上，傳輸型TDI-CCD遙感相機(jī)是當(dāng)前世界上技術(shù)最先進(jìn)、性能最優(yōu)越的新一代的遙感相機(jī)。

DALSA公司IL－E2型TDI-CCD是單向、單端輸出，級(jí)數(shù)可選，具有藍(lán)光響應(yīng)增強(qiáng)功能的TDI-CCD。如圖1所示，整個(gè)TDI-CCD可以分為3個(gè)功能區(qū)，即光敏元探測(cè)區(qū)、電荷傳輸區(qū)、檢測(cè)輸出區(qū)。

圖 1 IL－E2 TDI-CCD 結(jié)構(gòu)圖

3 TDI-CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序

3.1 積分級(jí)數(shù)選擇

IL－E2型TDI-CCD共有5種級(jí)數(shù)可選，分別為6、12、24、48、96級(jí)。根據(jù)TDI-CCD 的時(shí)序關(guān)系，TDI-CCD的積分級(jí)數(shù)控制，就是控制TDI-CCD級(jí)數(shù)選擇時(shí)鐘CSS6、CSS12、CSS24、CSS48來實(shí)現(xiàn)。選中那一級(jí)對(duì)應(yīng)CSS驅(qū)動(dòng)信號(hào)為-7V，其他CSS驅(qū)動(dòng)信號(hào)與CI4相同，選96級(jí)時(shí)所有CSS驅(qū)動(dòng)信號(hào)與CI4相同。

圖2 IL－E2 TDI-CCD總體驅(qū)動(dòng)時(shí)序

圖3 IL－E2 TDI-CCD詳細(xì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序

圖2中，CSS12的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為－7V，CSS6、 CSS24、 CSS48均與CI4相同，表明此時(shí)選中的積分級(jí)數(shù)為12。

3.2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序

為了使TDI-CCD完成正常的掃描成像工作，即電荷的積分、轉(zhuǎn)移和讀出等，施加在TDI-CCD各個(gè)引腳上的時(shí)鐘脈沖應(yīng)有著嚴(yán)格的時(shí)間關(guān)系。

IL-E2 TDI-CCD的像元移位讀出時(shí)鐘為CR1,CR2。CIx(x=1,2,3,4)、TCK、OS分別為成像區(qū)時(shí)鐘、行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘、輸出信號(hào)。驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析如下：將各驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖加到TDI-CCD的相應(yīng)引腳上，在行轉(zhuǎn)移時(shí)鐘脈沖TCK為高電平期間，像元感光產(chǎn)生的信號(hào)電荷在成像區(qū)時(shí)鐘脈沖CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿著TDI方向積累并轉(zhuǎn)移到輸出移位寄存器中。當(dāng)TCK為低電平時(shí)，TDI-CCD在像元移位讀出時(shí)鐘脈沖CR1、CR2的作用下，輸出復(fù)位時(shí)鐘脈沖RST每來一個(gè)有效的高電平時(shí)，TDI-CCD的輸出信號(hào)OS 端輸出一個(gè)信號(hào)，直到信號(hào)輸出完為止；與此同時(shí)，像元感光（曝光）產(chǎn)生信號(hào)電荷。之后TCK由低電平變?yōu)楦唠娖?，CI1、CI2、CI3、CI4也相應(yīng)的變?yōu)橛行щ娖?，開始一個(gè)新的周期。

驅(qū)動(dòng)時(shí)序如圖2和圖3所示：臨近的CI高電平交疊時(shí)間t1不小于1.0us，CI高電平持續(xù)時(shí)間t3不小于3.0us,TCK的上升沿與CI3的下降沿之間的t4最小為0，TCK的下降沿與CI4的上升沿之間的t5最小為0，CI4的上升沿與CR1的下降沿之間的t6最小為100ns, TCK的下降沿與CR1的下降沿之間的t7最小為100ns，CR1與RST的上升沿和下降沿之間的t8、t9最小為0，RST高電平持續(xù)時(shí)間t10最小為15ns, CI1的上升沿與CI3的下降沿之間的t11最小為100ns。只有嚴(yán)格的遵循此時(shí)序關(guān)系，設(shè)計(jì)出的時(shí)序電路才能穩(wěn)定、可靠的工作。

4 時(shí)序電路設(shè)計(jì)與時(shí)序仿真

IL－E2 TDI-CCD的像元數(shù)有每行512，1024和2048三種，本文以項(xiàng)目使用的像元數(shù)為2048的為例設(shè)計(jì)時(shí)序電路。2048為有效像元數(shù)，每行有128個(gè)啞像元，設(shè)計(jì)中使每行輸出2288個(gè)信號(hào)電平，即每個(gè)行周期內(nèi)有2288個(gè)CR1、CR2、RST驅(qū)動(dòng)脈沖。除了2048＋128＝2176個(gè)像元驅(qū)動(dòng)脈沖以外，其余為空驅(qū)動(dòng)脈沖?？镇?qū)動(dòng)數(shù)越多，CCD曝光積分時(shí)間越長，靈敏度提高，但過長的曝光積分時(shí)間會(huì)使CCD輸出飽和失真，故空驅(qū)動(dòng)數(shù)目不易過多。

行積分時(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0.25ms,以此確定合適的系統(tǒng)主時(shí)鐘。

設(shè)計(jì)時(shí)，先產(chǎn)生CR信號(hào)，然后以此為基礎(chǔ)，根據(jù)周期相位關(guān)系產(chǎn)生其它驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)。

驅(qū)動(dòng)時(shí)序用超高速集成電路硬件描述語言（VHDL）編寫^【3】，程序主要包括：（1）調(diào)用所需的庫函數(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。部分源代碼如下：

process(cr2_s)

begin

if cr2_s'event and cr2_s = '1' then

if cr_count_s 2288 + CONV_INTEGER(linecycle_s) then

cr_count_s = cr_count_s + 1;

else cr_count_s = 0;

end if;

end if;

end process;

process(sysclk,cr_count_s,cr1_s,cr2_s) DD產(chǎn)生CR信號(hào)

begin

if sysclk'event and sysclk = '1'then

if cr_count_s 64 then

cr1 = '0'; cr2 = '1';

else

cr1 = not cr1_s; cr2 = not cr2_s;

end if;

end if;

end process;

process(sysclk,sys_count_s) DD產(chǎn)生輸出復(fù)位信號(hào)RST

begin

if sysclk'event and sysclk = '1' then

case sys_count_s is

when 1 => rst_s = '1';

when 2 => rst_s = '1';

when others => rst_s = '0';

end case;

end if;

end process;

process(cr_count_s,cr2_s) DD產(chǎn)生CI和TCK信號(hào)

begin

if cr2_s'event and cr2_s = '1' then

if cr_count_s 16 then

ci1_s = '1'; ci2_s = '0'; tck_s = '1';

elsif cr_count_s 24 then

ci1_s = '1'; ci2_s = '1'; tck_s = '1';

elsif cr_count_s 40 then

ci1_s = '0'; ci2_s = '1'; tck_s = '1';

else

ci1_s = '0'; ci2_s = '0'; tck_s = '0';

end if;

end if;

end process;^【4】

由XILINX公司的設(shè)計(jì)軟件ISE6.2對(duì)XQVR300器件進(jìn)行時(shí)序設(shè)計(jì)，通過時(shí)序仿真與工程應(yīng)用驗(yàn)證了能完成上述所有功能。

5 結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點(diǎn)是完成了對(duì)像元數(shù)為2048的IL－E2 TDI-CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序的VHDL編寫和在可編程器件中的下載實(shí)現(xiàn)，時(shí)序仿真和硬件電路測(cè)試表明該時(shí)序電路能夠較好地產(chǎn)生器件所需的時(shí)序脈沖；使用延遲量小的FPGA使得系統(tǒng)可以工作在百兆赫茲的高頻段，可靠性和穩(wěn)定性得到了很好的保證；程序可移植性強(qiáng)，可作為其它類型的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)的參考。

參考文獻(xiàn)：

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