基于FPGA芯片的CCD的硬件驅(qū)動電路設(shè)計

CCD驅(qū)動電路的實現(xiàn)是CCD應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵問題。以往大多是采用普通數(shù)字芯片實現(xiàn)驅(qū)動電路，CCD外圍電路復(fù)雜，為了克服以上方法的缺點，利用VHDL硬件描述語言.運用FPGA技術(shù)完成驅(qū)動時序電路的實現(xiàn)。該方法開發(fā)周期短，并且驅(qū)動信號穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)功能模塊完成后可以先通過計算機進行仿真，再實際投入使用，降低了使用風(fēng)險性。

1 硬件設(shè)計

CCD的硬件驅(qū)動電路系統(tǒng)的核心器件是SPARTAN系列芯片XC3S50;CCD采用Atmel公司的CCDTH7888A圖像傳感器;CCD驅(qū)動脈沖由XC3S50提供，脈沖信號產(chǎn)生后由驅(qū)動模塊對脈沖電壓進行變換使其符合TH7888A的驅(qū)動電壓要求。CCD像素輸出電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊處理電路VSP2272芯片的處理得到數(shù)字信號，最后為了方便傳輸和方便后續(xù)模塊對數(shù)字信號的處理將數(shù)字信號由TTL電平轉(zhuǎn)換成LVDS電平進行輸出，整個系統(tǒng)如圖1所示。

1.1 TH7888A簡介

CCD圖像傳感器采用THOMSON公司生產(chǎn)的TH7888A。它是一種高性能的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD器件，采用四相脈沖驅(qū)動工作，并提供電子快門的功能;同時，它具有2種輸出的模式：單路輸出和雙路輸出。其主要的性能參數(shù)如下：

光敏區(qū)和存儲區(qū)均為1024×1024像素;速度可以達到30 images/s以上;像元尺寸為14 mm×14 mm;感光區(qū)面積為14.34 mm×14.34 mm;光譜波長范圍在400～700 nm之間;像元輸出頻率為20 MHz。

1.2 XC3SC50簡介

XC3S50屬于XILINX公司SPARTAN3系列的FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)，是一種高性能器件，其特點是：器件運用90 μm加工技術(shù);具有高性能低功耗的特點;邏輯密度達1 728個可用門;3路電源供電即I/O端口供電為1.2～3.3V，核心供電1.2V，輔助功能供電2.5V;帶有2 KB容量分布式RAM和7KB容量的BLOCK RAM，高級的邏輯時鐘管理功能。Ahera公司QuartusⅡ開發(fā)系統(tǒng)提供應(yīng)用設(shè)計支持。

2 軟件設(shè)計

CCD驅(qū)動時序用VHDL描述。VHDL是可以描述硬件電路功能、信號連接關(guān)系的語言，其具有比電路原理圖更有效地表示硬件電路的特點。由于它與硬件電路無關(guān)等優(yōu)點，用來設(shè)計電路時可大大提高開發(fā)效率。

由芯片的結(jié)構(gòu)可以知道，CCD的1個周期分成感光和轉(zhuǎn)移2個階段，如圖2所示。

感光階段即A的上升沿階段，主要實現(xiàn)3個功能：感光陣列的電荷積累，幀存儲區(qū)到轉(zhuǎn)移寄存器的電荷轉(zhuǎn)移以及轉(zhuǎn)移寄存器向輸出放大器的電荷輸出(即行轉(zhuǎn)移);轉(zhuǎn)移階段即A的下降沿階段，主要完成感光陣列所積累的電荷向幀存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移(即幀轉(zhuǎn)移)，同時清空幀存儲區(qū)的無效電荷。其具體的工作過程分析如下：

在感光階段即A的上升沿階段，P1，P2，P3，P4保持不變，感光陣列和幀存儲區(qū)之間為阻斷態(tài)，兩者之間不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。但感光陣列接受外界光源照射會積累電荷，在電荷積累的同時，在讀出寄存器時鐘L1，2的控制下，會首先讀出一行電荷。當(dāng)讀完第1行信號之后，會進行1次行轉(zhuǎn)移。在寄存器時鐘的控制下，寄存器時鐘M1中的信號會轉(zhuǎn)移給寄存器M2，然后再次轉(zhuǎn)移到寄存器M3，M4。行轉(zhuǎn)移時，讀出寄存器時鐘L1，L2不變，無像元信號輸出。在行轉(zhuǎn)移結(jié)束之后，進行第2行電荷的讀出;每讀出1行信號，進行1次行轉(zhuǎn)移，如圖3所示，如此循環(huán)1056次則感光階段完成。轉(zhuǎn)移階段即為門控時鐘A的下降沿階段，如圖4所示。幀轉(zhuǎn)移控制信號P1，P2，P3，P4與行轉(zhuǎn)移控制信號M1，M2，M3，M4相同，且一直有效。讀出寄存器時鐘L1，L2無效，不輸出數(shù)據(jù)。在幀轉(zhuǎn)移結(jié)束之后，進入感光階段，存儲區(qū)首先進行1次行轉(zhuǎn)移，開始信號的輸出，同時感光區(qū)像元進入電荷積累。這樣就構(gòu)成了TH7888A工作的1個周期。

主時鐘脈沖周期定為50 ns，然后主時鐘通過4分頻產(chǎn)生L和R。L作為基礎(chǔ)波形會在以后產(chǎn)生和控制L1，L2和M類波形時使用，L的占空比為2：2，R的占空比為3：1。給L建一個循環(huán)記數(shù)器CL，它的范圍為0～1 065，在感光階段即A的上升沿階段當(dāng)CL小于1057的時候L1=L其余階段L1為低電平，L1取反為L2;當(dāng)1057

3 驅(qū)動的實現(xiàn)及仿真結(jié)果

Max+PlusⅡ是Altera公司推出的一種開發(fā)設(shè)計平臺，他功能強大，可以生成文本文件和波形文件。并支持層次設(shè)計和從頂至底的設(shè)計方法，支持VHDL語言?？梢跃幾g并形成各種能夠下載到各種FPGA器件的文件，還可以進行仿真以檢驗設(shè)計的可行性。

硬件描述語言(VHDL)是用來描述集成電路的結(jié)構(gòu)和功能的標準語言，設(shè)計人員無需通過門級原理圖，而是針對設(shè)計目標進行功能描述，從而加快設(shè)計周期，VHDL元件的設(shè)計與工藝無關(guān)，方便工藝轉(zhuǎn)換?；谝陨蟽?yōu)點和上述的時序分析，該系統(tǒng)采用VHDL語言實現(xiàn)CCD驅(qū)動時序電路。由于系統(tǒng)的一次周期比較長大概在200 ms，所以波形仿真時的END TIME比較大，圖5所示為感光階段的波形仿真，圖6所示為轉(zhuǎn)移階段的波形仿真圖。

由圖可知設(shè)計所產(chǎn)生的波形與TH7888A的技術(shù)手冊上的驅(qū)動要求所需脈沖完全吻合，能夠達到TH7888A的驅(qū)動要求。

4 結(jié)語

用XILINX公司系列FPGA-SPARTAN芯片，在QuartusⅡ5.0開發(fā)環(huán)境下采用VHDL語言輸入方法開發(fā)設(shè)計出了高分辨率全幀CCD TH7888A的驅(qū)動電路，能夠產(chǎn)生滿足TH7888A要求的驅(qū)動脈沖。與以往常采用的驅(qū)動方法相比其面積大大減小了，采用FPGA進行設(shè)計，簡化了CCD驅(qū)動電路的電路系統(tǒng)。整個設(shè)計編程完畢后進行仿真、時序驗證正確后再下載到器件中，然后進行電路的測試校驗直到達到預(yù)期效果。這樣的設(shè)計修改起來較為方便，只要修改程序即可，不需要像傳統(tǒng)的設(shè)計方法要更換器件修改設(shè)計電路等，實驗證明，把VHDL應(yīng)用于CCD驅(qū)動電路的設(shè)計，可以滿足系統(tǒng)的高速性和電路的集成度等要求。