基于FPGA的線陣CCD器件驅(qū)動器及其系統(tǒng)控制邏輯時序的設計

1 引言

CCD(Charge Coupled Devices——電荷耦合器件)具有尺寸小、精度高、功耗低、壽命長及電子自掃描等優(yōu)點，在圖像傳感和非接觸測量領域得到廣泛的應用。由于CCD的轉(zhuǎn)換效率、信噪比等光電特性只有在合適的時序驅(qū)動下才能達到設計所規(guī)定的最佳值，輸出穩(wěn)定可靠的信號，因此，驅(qū)動電路的設計也就成為其應用中的關鍵問題之一。不同廠家、不同型號CCD器件的驅(qū)動時序各不相同，使CCD的驅(qū)動電路很難規(guī)范化和產(chǎn)品化。筆者設計的基于FPGA的驅(qū)動電路是可再編程的，如果要改變驅(qū)動電路的時序，增加或減少某些功能，只需對器件重新編程，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下可實現(xiàn)驅(qū)動電路的更新?lián)Q代。

2 CCD工作參數(shù)和時序分析

根據(jù)工程項目的技術要求，本系統(tǒng)選用日本TOSHIBA公司的TCDl208AP型電路作為傳感器。該器件具有優(yōu)良的光電特性，有2 160個像元，其驅(qū)動信號的時序如圖l所示。

由TCDl208AP的時序圖可以看出，TCDl208AP采用二相驅(qū)動脈沖工作，時序脈沖驅(qū)動電路提供4路工作脈沖，即光積分脈沖SH，電荷轉(zhuǎn)移脈沖φ1、φ2，輸出復位脈沖RS。系統(tǒng)提供的主時鐘頻率CLK為4 MHz，設定數(shù)據(jù)輸出頻率為1 MHz。TCDl208AP的典型最佳工作頻率為l MHz，該器件具有2160位有效像元，正常工作時要有52個虛設單元輸出(DUMMY 0UTPUTS)信號(含暗電流信號)。因為該器件是二列并行傳輸，所以在一個周期內(nèi)至少要有1 106(2 212/2=1 106)個φ1脈沖，即TSH>1106Tφ1。另外，由時序圖可以看出，當SH信號為高電平期間，CCD積累的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵進入移位寄存器，移位脈沖φ1、φ2要求保持一個高和低的電平狀態(tài)。

3 FPGA器件的選擇

根據(jù)設計要求和工程需要，本設計選用Altera公司Cyclone系列產(chǎn)品中的EPlCl2Q240C8型嵌入式可編程邏輯器件。EPlCl2Q240C8采用基于1.5 V、0.13μm及全層銅SRAM工藝，其密度增加至20 060個邏輯元件(LE)，RAM增加至288 KB。它具有用于時鐘的鎖相環(huán)、DDR SDR和快速周期RAM(FCRAM)存儲器所需的專用雙數(shù)據(jù)率(DDR)接口，具有在系統(tǒng)可編程特性。其配置方式有被動型和主動型，被動型配置是在上電后由計算機通過編譯后產(chǎn)生sof文件利用專用的下載電纜配置電路。主動型配置是在上電后由專門的可編程配置電路(EPCS4)自動對EP1C12Q240C8電路進行配置。

4 CCD驅(qū)動電路設計

驅(qū)動電路的功能是產(chǎn)生保證產(chǎn)生CCD器件正常工作的轉(zhuǎn)移時鐘、傳輸時鐘、采樣保持時鐘、復位時鐘、信號處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路所需要的同步脈沖、像元時鐘和箝位脈沖。只有驅(qū)動脈沖與CCD的良好配合才能充分發(fā)揮CCD的光電轉(zhuǎn)換特性，輸出穩(wěn)定可靠的光電信號。

以前采用數(shù)字邏輯電路來設計線陣CCD驅(qū)動電路，由于采用多個計數(shù)器、觸發(fā)器和門電路，電路復雜，抗干擾能力差，而且時序較難配合，不易調(diào)試。如果采用FPGA驅(qū)動方法產(chǎn)生驅(qū)動信號，系統(tǒng)用同一時鐘對這4路驅(qū)動信號進行控制，以保證相互之間的確定時間關系，然后使用分頻器對時鐘脈沖分頻以產(chǎn)生各路驅(qū)動信號所需的波形，產(chǎn)生如圖1所示的驅(qū)動信號就方便得多。

該系統(tǒng)的設計采用Altera公司的QUARTUSⅡ開發(fā)系統(tǒng)。QUARTUSⅡ開發(fā)系統(tǒng)是一種全集成化的可編程邏輯設計環(huán)境，它支持硬件描述語言(VHDL)、狀態(tài)圖和原理圖三種輸入方式，執(zhí)行編譯、邏輯綜合、仿真以及編程等功能。設計過程包括4個階段：設計輸入、設計實現(xiàn)、設計驗證和器件編程，如圖2所示。整個流程是一個輸入、實現(xiàn)、驗證的遞歸過程，直到設計正確和完整。

原理圖輸入方式簡單直觀，也是最常用的。如采用硬件描述語言的輸入方式如VHDL或Verilog，其可移植性和可讀性都好，但綜合形成的數(shù)據(jù)格式文件往往比原理圖輸入方式更占可編程器件的資源。為了提高芯片的利用率，同時采用原理圖輸入方式還可以生成新的特殊功能模塊，鑒于系統(tǒng)規(guī)模不大，因此采用原理圖輸入方式進行本系統(tǒng)的設計。由于TCDl208AP是二相驅(qū)動方式，根據(jù)TCDl208AP驅(qū)動信號的時序關系，可以確定φl=φ2=0.5 MHz，輸出復位脈沖RS=l MHz。

在確定了SH、φ1、φ2和RS的參數(shù)后，可以根據(jù)它們之間的時序關系設計硬件邏輯框圖。各路脈沖分別為RS=1 MHz，占空比為l：4，方波；φ1=φ2=0.5 MHz，占空比為1：l，方波，φ1、φ2在并行轉(zhuǎn)移時有一個大于SH=1的寬脈沖。其中的各個模塊采用VHDL語言進行設計，如圖3所示。

編譯后，最后得到仿真的波形結果如圖4所示。


5 結束語

本設計采用QUARTUSⅡ開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)編程，完成了電路功能的設計、時序綜合與分析及文本和圖形輸入，并根據(jù)工程需要將結果下載到Altera公司的Cyclone系列FPGA芯片EPlCl2Q240C8中產(chǎn)生CCD驅(qū)動時序，不但得到了良好的CCD輸出效果，而且大大簡化電路設計，提高可靠性，降低功耗，加快研發(fā)速度。