基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動電路設計

論述了線陣CCD驅(qū)動電路的工作原理和現(xiàn)狀，選擇基于CPLD驅(qū)動線陣CCD工作的方案。采用MAXⅡ器件的EPM240T100C5N為控制核心，以TCD1500C為例，設計了基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動電路，完成了硬件電路的原理圖的設計，并實現(xiàn)了軟件調(diào)試。通過QuartusⅡ軟件平臺，對其進行了模擬仿真。實驗結果表明，設計基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動電路能夠滿足CCD工作所需的驅(qū)動脈沖。

如何實現(xiàn)高精度的運動裝置角度和位移測量，一直是系統(tǒng)或設備設計中需要解決的關鍵技術之一。隨著半導體微電子技術的迅猛發(fā)展，各種新型器件不斷涌現(xiàn)，其中線陣CCD(Charge Coupled Devices)電荷耦合器件因其所具有的高精度、無接觸、高可靠性等優(yōu)點，應用越來越廣泛。

1 總體方案設計

線陣CCD一般不能直接在測量裝置中使用，因此CCD驅(qū)動信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理是設計高精度、高可靠性和高性價比線陣CCD驅(qū)動模塊的關鍵。

傳統(tǒng)驅(qū)動CCD的設計方法使CCD的工作頻率較慢，信號輸出噪聲增大，不利于提高信噪比，不能應用于要求快速測量的場合。而用可編程邏輯器件 CPLD進行驅(qū)動，則可提高脈沖信號相位關系的精度，以及提供給CCD驅(qū)動脈沖信號的頻率，而且調(diào)試容易、靈活性高。目前，在工業(yè)技術中，多采用基于 CPLD的驅(qū)動電路實現(xiàn)線陣CCD的驅(qū)動。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 CPLD的硬件電路的設計

以CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件為核心，設計線陣CCD的驅(qū)動電路。然后在其基礎上擴展，選擇其他元器件，設計出與其相配套的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。

CPLD的電路由5部分組成，有源晶振向EPM240T100CSN的U1A的IO/GCLK0口輸入時鐘脈沖CLK0，提供了CPLD工作的時鐘脈沖，因為時序邏輯的需要。U1C從JTAG端口中下載程序，U1B的52、54、56、58口輸出脈沖信號。U1D管腳接3. V電壓，U1E管腳接地。電路原理如圖2所示。

2.2 DC/DC模塊的設計

為得到CPLD所需的電壓，外接電源需要經(jīng)過DC/DC模塊進行轉(zhuǎn)換。為進一步減少輸出紋波，可在輸入輸出端連接一個LC濾波網(wǎng)絡，電路原理如圖3所示。

2.3 穩(wěn)壓模塊的電路設計

由DC/DC模塊轉(zhuǎn)換的直流電壓，經(jīng)過一個R11電阻和一個發(fā)光二極管接地，發(fā)光二極管指示燈，然后從AMS芯片的Vin端輸入，進入到芯片的內(nèi)部，經(jīng)過一系列的計算，從Vout輸出3.3 V電壓，GND端端口接地。為消除交流電的紋波，電路采用電容濾波，分別用0.1μF的極性電容和10μF的非極性電容組成一個電容濾波網(wǎng)絡。電路原理如圖4所示。

2.4 CCD電路設計

CCD電路采用TCD1500C，它是一個高靈敏度、低暗流、5340像元的線陣圖像傳感器。其像敏單元大小是7 μm×7μm×7 μm，相鄰像元中心距7μm，像元總長37.38mm。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。TCD1500C的測量精度和分辨率都很高，并且只需4路驅(qū)動信號：SH、φ、RS、SP。電路原理如圖5所示。

2.5 電平轉(zhuǎn)換的電路設計

由于CPLD輸出的驅(qū)動脈沖電壓為3.3 V，而CCD工作所需的驅(qū)動脈沖為5 V，所以需要在CPLD和CCD之間加入—個電平轉(zhuǎn)換電路。電路原理如圖6所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用Verilog HDL硬件描述語言，按照模塊化的思路設計，將要完成的任務分成為多個模塊，每個模塊由一個或多個子函數(shù)完成。這樣能使設計思路清晰、移植性強，在調(diào)試軟件時容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，降低了軟件調(diào)試的難度。程序中盡量減少子函數(shù)之間的相互嵌套調(diào)用，這樣可以減少任務之間的等待時間，提高系統(tǒng)處理任務的能力。主程序如圖7所示。

SH是一個光積分信號，SH信號的相鄰兩個脈沖之間的時間間隔代表了積分時間的長短。光積分時間為5 416個RS周期，對系統(tǒng)時鐘進行光積分的分頻，實現(xiàn)了SH信號脈沖。在光積分階段，SH為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。時鐘脈沖φ為典型值0.5 MHz時，占空比為50%，占空比是指高電平在一個周期內(nèi)所占的時間比率。它是SH信號和占空比為50%的一個0.5MHz的脈沖信號疊加，所以0.5 MHz的信號和SH信號通過一個或門，就可以實現(xiàn)φ信號;輸出復位脈沖RS為1 MHz，占空比1：3。此外，RS信號和SH、φ信號有一定的相位關系，通過一個移位寄存器移相，來實現(xiàn)RS脈沖信號。

4 仿真實驗

系統(tǒng)時鐘周期部分設置為1 ns，正常工作時復位信號RS為高電平，然后對RS、φ、SH信號進行仿真，結果如圖8所示。

5 結束語

研究的線陣CCD驅(qū)動電路主要是以CPLD為驅(qū)動中心而設計，這種方案減少了以往驅(qū)動電路的電路體積大、設計復雜、調(diào)試困難等缺點，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，集成度高且抗干擾能力強。通過對硬件和軟件大量的模擬實驗表明，文中所研究的線陣CCD驅(qū)動脈沖信號能夠滿足CCD工作所需的基本功能，達到了設計要求。