基于FPGA的線陣CCD驅(qū)動設計

摘要：電荷耦合器件(CCD)作為一種新型的光電器件，被廣泛地應用于非接觸測量。而CCD驅(qū)動設計是CCD應用的關鍵問題之一。為了克服早期CCD驅(qū)動電路體積大，設計周期長，調(diào)試困難等缺點，以線陣CCD圖像傳感器TCD1251UD為例，介紹一種利用可編程邏輯器件FPGA實現(xiàn)積分時閫和頻率同時可調(diào)的線陣CCD驅(qū)動方法，使用Verilog語言對驅(qū)動電路方案進行了硬件描述，采用QuartusII對所設計的時序進行系統(tǒng)仿真。仿真結(jié)果表明，該驅(qū)動時序的設計方法是可行的。
關鍵詞：線陣CCD；可編程邏輯器件；積分時間；頻率

電荷耦合器件(CCD)作為新興的固體成像器件——圖像傳感器，具有體積小、重量輕、分辨力高、噪聲低、自掃描、工作速度快、靈敏度高、可靠性好等優(yōu)點，受到人們的高度重視，廣泛應用于圖像傳感、景物識別、非接觸無損檢測、文件掃描等領域。其應用系統(tǒng)的關鍵技術在于CCD驅(qū)動信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理。以往經(jīng)常采用的驅(qū)動方法主要偏重硬件的實現(xiàn)，調(diào)試困難，靈活性較差。而單片機驅(qū)動方法雖編程靈活，但存在資源浪費較多、頻率較低的缺陷。復雜可編程邏輯器件FPGA具有編程靈活、集成度高、速度快、容量大、功耗小、可靠性好等優(yōu)點，并且節(jié)省PCB板的空間，可移植性好，使用靈活。因此，結(jié)合實際應用需要，設計了基于復雜可編程邏輯器件FPGA的CCD驅(qū)動時序設計，使用Verilog語言對驅(qū)動電路方案進行了硬件描述，采用QpartusⅡ?qū)λO計的時序進行了系統(tǒng)仿真。

1 CCD圖像傳感器TCD1251UD
TCD1251UD芯片是日本東芝公司生產(chǎn)的一種高靈敏度、低暗電流、具有2 700個有效像元的雙溝道兩相線陣CCD圖像傳感器。它的中心距為11μm，最佳工作頻率為1 MHz，光敏單元陣列總長為29．7 mm。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。它的結(jié)構(gòu)包括：MOS電容存儲柵、轉(zhuǎn)移柵電極SH、CCD模擬移位寄存器φ1和φ2信號輸出單元OS和補償輸出單元DOS。

2 TCD1251UD的驅(qū)動時序要求
TCD1251UD的驅(qū)動脈沖波形圖如圖1所示，各信號之間定時關系如表1所示。

當SH脈沖為高電平時φ1脈沖亦為高電平，其下均形成深勢阱，SH的深勢阱使φ1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通，從而使MOS電容存儲柵中的信號電荷轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中。當SH電平由高變低時，SH低電平形成的淺勢阱將MOS電容存儲柵下的勢阱與φ1電極下的勢阱隔離開。存儲柵的勢阱進入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在φ1和φ2脈沖的作用下驅(qū)動信號電荷向左轉(zhuǎn)移，最后信號經(jīng)由OS端輸出啞元信號和2 700個有效像元信號，而由DOS端輸出補償信號。由于結(jié)構(gòu)的安排，OS端首先輸出13個虛設單元信號；再輸出51個暗信號；最后連續(xù)輸出2 700個有效像素單元信號；接著輸出9個暗信號、2個奇偶檢測信號和沒有信號的空驅(qū)動，空驅(qū)動的數(shù)目為任意的，但必須大于0，否則會影響下一行信號的輸出。由于該器件是兩行奇、偶傳輸，所以在一個SH周期中至少要有1 388個φ1脈沖，即TφSH>1 388Tφ1。CCD各路脈沖的技術指標為：φ1，φ2為驅(qū)動脈沖，φ1，φ2相位相反，兩者均是頻率為0．5～2 MHz，占空比為1：2的方波，本文要求該頻率可調(diào)節(jié)。SH為轉(zhuǎn)移脈沖，由圖1可以看出：當SH為高電平時必須φ1同步為高電平。當SH為低電平時，φ1也將變?yōu)榈碗娖?。但是?phi;1脈沖必須比SH脈沖提前上升、遲后下降。即在并行轉(zhuǎn)移時φ1脈沖有一個大于SH為高電平時的持續(xù)時間的寬的高電平脈沖。由上面分析可以得出，TφSH>1388Tφ1，RS為復位脈沖，占空比為1：4的方波，頻率為1～4 MHz，同時要求該頻率同樣可調(diào)節(jié)。

3 驅(qū)動時序的實現(xiàn)
3．1 驅(qū)動時序的FPGA實現(xiàn)
為了產(chǎn)生系統(tǒng)中用到的時序，設計了基于復雜可編程邏輯器件FPGA的CCD傳感器驅(qū)動時序發(fā)生器，采用Altera公司的QuartusⅡ軟件開發(fā)系統(tǒng)。QuartusⅡ軟件開發(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和Verilog HDL)、狀態(tài)圖和原理圖三種輸入方式，擁有編譯、邏輯綜合、仿真等功能。相對于其他輸入方式，硬件編程語言的輸入方式(如VHDL或VerilogHDL)可移植性和可讀性好，因此成為本設計的首選。其中Verilog HDL具有編程靈活、使用方便等優(yōu)點為眾多設計所接受?？傮w的設計思想是將驅(qū)動時序分成三個模塊，分別為AD0832，Divider和CCD_Driver。AD0832模塊采集輸出數(shù)據(jù)由Divider分頻模塊處理后輸入給CCD_Driver模塊去調(diào)節(jié)CCD的積分時間與驅(qū)動頻率，同時CCD_Driver模塊輸出4路信號驅(qū)動CCD。CCD_Driver模塊的的總體設計思想是將可調(diào)時鐘in_clk、積分時間INTER_TIME作為輸入而且它們與Dirider模塊的輸出CCD_clk、Ctr_Time_Out[12．．0]對應，產(chǎn)生四路信號SH，RS，PH1，PH2作為輸出直接驅(qū)動CCD。其中驅(qū)動頻率RS和積分時間SH可調(diào)。CCD驅(qū)動時序的設計如圖2所示。CCD_Driver模塊實現(xiàn)的功能是將時鐘輸入(in_clk)二分頻分別得到Q1和Q2信號，四分頻得到temp_ph。用信號temp_ph作為計數(shù)時鐘輸入，分別在它的上升沿和下降沿觸發(fā)產(chǎn)生信號temp_sh1，temp_sh2。將Q1，Q2，temp_ph，temp_sh1，temp_sh2進行組合邏輯運算分別得到轉(zhuǎn)移脈沖SH、復位脈沖RS、時鐘信號PH1，PH2。其中轉(zhuǎn)移脈沖SH、復位脈沖RS頻率可調(diào)。使用VerilogHDL編寫程序中要求時鐘PH2與PH1信號相位相反。Q1為在時鐘in_clk的上升沿觸發(fā)的二分頻信號，Q2為在時鐘in_clk的下降沿觸發(fā)的二分頻信號。把Q2取反后與Q1相與產(chǎn)生RS信號。由于SH，RS，PH1，PH2信號存在一定的周期關系，所以在Q1下降沿時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)二分頻得到基信號temp_ph。用信號temp_ph作為計數(shù)時鐘輸入，分別在它的上升沿和下降沿觸發(fā)并根據(jù)積分時間計數(shù)控制temp_sh1，temp_sh2的高低電平時間。將temp_sh1，temp_sh2相與得到SH信號；將temp_ph，temp_sh1與temp_sh2相或得到PH1信號。PH1取反得到PH2信號。

3．2 仿真結(jié)果
以上模塊在QuartusⅡ軟件開發(fā)系統(tǒng)上進行設計輸入，經(jīng)編譯、校驗后，其仿真波形如圖3所示。

從仿真結(jié)果可看到產(chǎn)生的驅(qū)動脈沖與線陣CCD-CCD-TCD1251UD所需要的驅(qū)動時序完全吻合，能夠達到CCD驅(qū)動電路要求。

4 結(jié)語
使用FPGA器件實現(xiàn)對CCD驅(qū)動器的設計，很好的滿足了CCD應用向高速、小型化、智能化發(fā)展的需求。在設計中，首先必須清楚CCD驅(qū)動時序的要求，并利用硬件描述語言進行科學的編程，這樣才能有效地完成設計需求。本文通過一個設計實例，來說明利用FPGA設計CCD驅(qū)動器的方法，經(jīng)過仿真測試，驗證了該設計滿足CCD驅(qū)動要求。