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基于CPLD的面阵CCD驱动电路设计孙茂多;董全林;赵伟霞;党玉杰;杨娅姣【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2014(000)023【摘要】在透射电子显微镜相机的研制中，针对SONY行间转移面阵CCDICX285AL图像传感器，设计了一款基于CPLD的面阵CCD驱动电路。
以Altera 公司的CPLD芯片EPM570T100作为时序发生器产生CCD驱动信号和相关双采样控制信号，并搭建了驱动器电路和直流偏压电路。
在Quartus Ⅱ13.1开发环境下利用Verilog HDL语言编程，并利用ModelSim SE 10.1进行仿真测试。
实验结果表明，以CPLD为核心的驱动电路能够产生符合CCD要求的驱动脉冲和偏置电压，可稳定地输出CCD视频信号。
%In design of a TEM camera with CCD ICX285AL as the image sensor,an array CCD driving circuit based on CPLD was designed. Altera′s EPM570T100 is used as a time⁃sequence generator to generate CCD driving signal and CDS⁃con⁃trol signal. A driver circuit and DC bias circuit were designed to provide voltage transformation,and to generate DC source and bias voltage. Verilog HDL is adopted to compile program under Quartus II 13.1 to implement logic circuits in CPLD. Simulations were conducted in the ModelSim 10.1. Experiment results indicate that the designed driving circuit can generate the driving pulse and bias voltage which meet the demands of CCD,and can steadily output CCD video signal.【总页数】4页(P142-145)【作者】孙茂多;董全林;赵伟霞;党玉杰;杨娅姣【作者单位】北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191;北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】TN16-34;TP212【相关文献】1.基于CPLD的面阵CCD驱动时序发生器设计 [J], 顾一;叶炜;许煜2.基于CPLD的面阵CCD驱动电路的设计 [J], 王磊;童子权3.基于CPLD的面阵CCD驱动 [J], 赵锡年;瑚琦;高鹏飞4.基于CPLD的面阵CCD图像传感器驱动时序发生器设计 [J], 陈学飞;汶德胜;王华5.基于CPLD的高速面阵CCD驱动电路设计 [J], 孔渊;王世勇;崔洪洲;周起勃因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
技术创新摘要:采用SONY 行间转移型面阵CCD ICX415AL 作为传感器件,设计了一种新型的CCD 成像系统,成像系统采用CCD 信号专用芯片CXA1310AQ 进行信号处理。
使输出信号满足模拟信号PAL/CCIR 标准,可以采用电视机或者配有视频卡的计算机作为显示终端。
在介绍CCD ICX415AL 的结构和特点的基础上,完成了时序电路和驱动电路的设计,CCD 工作模式为场输出模式,可以理解为垂直方向的binning 技术,并采用相关双采样(CDS)技术滤除了视频信号中的相关噪声,提高了系统的信噪比,整个系统采用现场可编辑门阵列作为核心器件,通过自上而下的模块设计。
完成了CCD 驱动时序,数据采集时序控制和视频信号简单处理。
关键词:行间转移CCD;驱动时序;相关双采样;FPGA 中图分类号:TN386.5文献标识码:AAbstract:A new imaging system is design by using an interline transfer CCD ICX415AL as sensor which is produced by SNOY cor -poration .and greatly improve the SNR of system .CCD imaging system uses special signal processing chip-CXA1310AQ making out -put signal to meet the standard of PAL/CCIR .so It can be used with TV and computer which has video card as a display terminalOn the basis of introducing the structure and characteristics of CCD ICX415AL ,The circuits of timing sequence and driver for sen -sor are design ,CCD work in field readout mode which can be realize as binning-technology in vertical direction and the noises of video signal are filtered by Correlated Double Sampling (CDS),the signal -to -noise ratio of system is enhanced .The system is take Field Programmable Gate Array (FPGA)as the key device .the CCD driving clock ,Clock control of data Acquisition and Video signal process are accomplished by the module design method of from top to bottom .Key words:interline transfer CCD;driving clock Correlate Double Sample (CDS );Field Programmable Gate Array (FPGA)1引言CCD(Charge Coupled Devices)技术经过三十年的发展已成为一种成熟的光电成像技术，由于CCD 具有信号输出噪声低，动态范围大，量子效率高以及电荷转移效率高等优点，采用硅衬底的ICCD ，光谱响应范围为0.3um~1.1um ，超过可见光范围可以延伸到紫外，x 射线。
基于CCD的图像采集和处理系统一、概述随着科技的快速发展，图像采集和处理技术在许多领域，如医疗、工业、安全监控等，都发挥着越来越重要的作用。
基于电荷耦合器件（CCD）的图像采集和处理系统以其高分辨率、高灵敏度和低噪声等优点，在科研、工业生产和日常生活中得到了广泛应用。
电荷耦合器件（CCD）是一种能够将光信号转换为电信号的半导体器件，其内部由大量紧密排列的光敏元件（像素）组成。
当光线照射到CCD表面时，每个像素会根据光线的强弱产生相应的电荷，通过后续电路的处理，可以将这些电荷转换成数字信号，从而实现对图像的捕捉和存储。
基于CCD的图像采集和处理系统主要由光学系统、CCD传感器、模数转换电路、图像处理软件等部分组成。
光学系统负责将目标景物的光线引导到CCD传感器上CCD传感器将光信号转换为电信号模数转换电路将模拟信号转换为数字信号，以便后续处理图像处理软件则负责对采集到的图像进行各种增强、分析和识别等操作，以满足不同应用的需求。
本文将对基于CCD的图像采集和处理系统的基本原理、组成结构、关键技术以及应用领域进行详细介绍，旨在为相关领域的研究人员、工程师和技术人员提供有益的参考和借鉴。
同时，也期望通过本文的探讨，能够推动基于CCD的图像采集和处理技术的进一步发展和应用。
1. 图像采集与处理技术的发展背景随着科技的飞速发展，图像采集和处理技术已成为现代社会不可或缺的一部分。
从早期的模拟信号处理技术，到现代的数字信号处理技术，图像采集和处理技术经历了巨大的变革。
在这个过程中，电荷耦合器件（ChargeCoupled Device，简称CCD）的发明和应用，极大地推动了图像采集和处理技术的发展。
图像采集技术是对真实世界中的光信号进行捕捉和转换的过程，而处理技术则是对这些信号进行增强、分析和理解的操作。
早期的图像采集设备，如摄像机，大多采用模拟信号处理技术，其精度和稳定性有限。
随着数字技术的崛起，尤其是计算机技术的快速发展，数字图像采集和处理技术逐渐取代模拟技术，成为主流。
基于FPGA的CCD传感器驱动电路设计摘要：对CCD图像采集系统工作原理进行研究并进行驱动电路设计，针对SONY 公司的ICX625AQA帧行间转移双通道CCD，对其工作原理和驱动时序进行详细分析，选用现场可编程阵列（FPGA）为主控单元，采用verilog 硬件描述语言进行驱动程序设计，结合AD9974和CXD3400构建硬件电路，提供高质量低干扰水平和垂直驱动信号，前者同时集成了14位高速AD，进行CCD输出信号模拟前端处理。
关键词：行间转移；FPGA；双输出通道；CCD；电荷耦合器件（CCD）其以高灵敏度、大动态范围、低噪声、功耗低和采样速度快等特点，逐渐成为现代测试技术中活跃的传感器，广泛应用于高精度测量、空间遥感和机器人视觉等领域。
CCD的驱动时序产生方法主要有四种：直接数字电路（IC）驱动法、单片机驱动法、EPROM驱动法和可编程逻辑器件法等。
其中，EPROM驱动法结构简单调试便捷但结构尺寸较大；现场可编程逻辑阵列（FPGA）简单来说就是可反复编程的逻辑器件，在设计完成后可根据需要很方便地对设计进行改进、更新和维护。
采用FPGA进行CCD驱动开发其具有高集成度、高可靠度、短开发周期和调试灵活方便等优势。
1 ICX625AQA结构及特点ICX625AQA是SONY公司的一款行间转移面阵彩色传感器，总像素2536（H）×2068（V），约5.24M像素，其中有效像素2456（H）×2058（V），约5.05M像素，像元尺寸3.45µm（H）×3.45µm（V），有效成像面积86.391mm2。
ICX625AQA具有双输出通道，三种工作模式：全像素扫描输出、4/16行读出和中心扫描输出模式，采用全像素扫描输出模式帧频可达到15帧/秒。
由于采用了SONY公司的Super-HAD CCD技术，具有高灵敏度和低暗电流噪声的有点，同时采用电子快门便于进行曝光时间控制。
CCD成像原理CCD（Charge-Coupled Device）是一种广泛应用于数码相机、摄像机和天文望远镜等光学成像设备中的器件，其成像原理是基于光电转换和信号传输的物理过程。
CCD成像原理的理解对于提高成像设备的性能和质量具有重要意义。
首先，CCD成像原理的核心是光电转换。
当光线照射到CCD表面时，光子会激发半导体中的电子，使其跃迁到导带中，产生电荷。
这些电荷被储存在CCD的像素单元中，形成图像的原始信息。
因此，CCD的光电转换效率直接影响着图像的清晰度和色彩还原度。
其次，CCD成像原理涉及信号传输过程。
经过光电转换后，CCD需要将储存的电荷信号传输到读出电路中进行放大和处理。
这一过程需要经过行、列驱动器的控制，将电荷信号逐行逐列地传输到输出端。
因此，CCD的信号传输速度和稳定性对于图像的帧率和抗干扰能力具有重要影响。
此外，CCD成像原理还涉及信噪比的问题。
在光电转换和信号传输的过程中，CCD会受到来自外部环境和器件本身的噪声干扰，影响图像的质量和准确性。
因此，CCD的设计需要考虑如何降低噪声干扰，提高信噪比，以获得更清晰、更真实的图像。
在实际应用中，CCD成像原理的理论基础需要与工程实践相结合，以实现更高水平的成像性能。
例如，在数码相机中，CCD传感器的像素数量和尺寸决定了图像的分辨率和细节表现能力；在工业检测设备中，CCD的灵敏度和动态范围决定了其在光强不均匀环境下的成像效果。
总之，CCD成像原理是光电转换和信号传输的物理过程，对于成像设备的性能和质量具有重要影响。
理解和应用CCD成像原理，有助于优化成像设备的设计和制造，提高图像的清晰度和准确性，满足不同领域对于成像质量的需求。
第16卷 第9期2008年9月 光学精密工程 Optics and Precision Engineering Vol.16 No.9 Sep.2008 收稿日期:2008203226;修订日期:2008206225. 基金项目:中国科学院“优秀博士学位论文、院长奖获得者科研启动专项基金”资助项目文章编号 10042924X (2008)0921629206行间转移面阵CCD 的TD I 工作方式研究周怀得1,刘海英2,徐 东1,李广泽1,王 冶1,刘金国1(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033;2.吉林东光精密机械厂,吉林长春130012)摘要:具有微透镜的行间转移面阵CCD 在空间辐照环境下,微透镜材料容易模糊,导致不能正常成像;而如果不使用微透镜,则会由于行间转移CCD 的填充因子和量子效率低,曝光量不足,影响图像质量和信噪比,亦不能满足使用要求。
本文提出采用时间延迟积分(TDI )工作方式来解决这一问题。
使用现场可编程逻辑器件(FP GA ),在实现行间转移面阵CCD KA I03402S 正常工作的基础上,根据TDI CCD 的工作原理,实现了CCD KA I03402S 的TDI 工作方式。
同时,采用RS485总线,实现了计算机和FP GA 之间的通信和数据交换,完成了面阵CCD TDI 积分级数、行TDI 积分时间、以及集成视频信号处理器增益和偏置参数的任意设置。
实验结果表明,在没有微透镜下正常成像时,图像质量很差,其信噪比仅为22.13dB (TDI 级数为1);通过设置合适的TDI 积分级数后,图像质量有很大的提高,信噪比超过33.62dB (TDI 级数为4)。
行间转移面阵CCD 的TDI 工作方式,可以改善和提高在空间辐照环境下没有微透镜时的图像质量,解决了借助微透镜可提高其量子效率,但微透镜在空间辐照环境下时间较长又容易模糊的矛盾。
关 键 词:行间转移;面阵CCD ;微透镜;时间延迟积分;量子效率;现场可编程逻辑器件中图分类号:TN386.5;P231 文献标识码:AStudy of T DI pattern for interline transfer progressive scan CCDZHOU Huai 2de 1,L IU Hai 2ying 2,XU Dong 1,L I Guang 2ze 1,WAN G Ye 1,L IU Jin 2guo 1(1.Changchun I nstit ute of O ptics ,Fi ne M echanics an d Physics ,Chi nese A ca dem y of S ciences ,Changchun 130033,China;2.J ilin Dongguang Factory of Fine Mechanics ,Changchun 130012,China )Abstract :In space environment ,t he micro 2lens of interline transfer progressive scan Charge Coupled Device (CCD )will become f uzzy ,for t he effect of space ray in a long time result s in bad quality image of t he space camera.However ,an interline t ransfer area CCD wit hout t he micro 2lens has a lower fill factor and quant um efficiency ,it will result in bad quality and lower ratio of Signal to Noise (SN )of image also.In order to apply t his kind of CCD in space camera ,a Time Delay Integral (TDI )pattern to overcome t he conflict based on t he character of t he CCD was proposed ,a system using Field Pro 2gramming Gate Array (FP GA )to generate t he driving signal was designed to realize t he TDI pattern.At t he same time ,t he communication and data t ransfer of FP GA wit h comp uter was completed by RS485bus for setting t he TDI stage ,t he integral time of TDI and t he gain and off set parameters of video p rocess chip.The experimental result s indicate t hat t he SN ratio is only 22.13dB (t he TDI stage is one )and t he quality of t he image is very bad when imaging wit hout a micro 2lens.After setting areaso nable TDI stage parameter,t he SN ratio of t he image is33.62dB(TDI stage is four),t he quality of t he image has a big improvement.Experiment s show t hat t he TDI pattern of interline transfer p ro2 gressive scan CCD can imp rove t he quality of image wit hout micro2lens under space ray environment, Which resolves t he conflict of micro2lens can improve t he quant um efficiency of interline transfer p ro2 gressive scan CCD,but micro2lens will become f uzzy for t he effect of space ray in a long time.K ey w ords:interline t ransfer;area Charge Coupling Device(CCD);micro2lens;Time Delay Integral (TDI);quant um efficiency;Filed Programming Gate Array(FP GA)1 引 言 近年来,随着CCD器件本身工艺水平的改进,其成像质量和器件本身可靠性也得到了进一步的改善和提高,将CCD应用在星载相机上对地成像,并在星上直接完成模拟图像的数字化后传输回地面,形成高清晰对地数字图像的技术也在飞速发展。
基于FPGA的面阵CCD成像系统设计作者：唐艳秋张星祥李新娥任建岳来源：《现代电子技术》2013年第02期摘要：采用SONY 行间转移型面阵CCD ICX415AL 作为图像传感器，设计了一款新型CCD成像系统。
以Altera公司的FPGA芯片EP1C12F256作为时序发生器产生CCD驱动信号。
采用相关双采样技术滤除了视频信号中的相关噪声，提高信噪比。
在Quartus Ⅱ 9.1开发环境下采用VHDL编程，并利用Modelsim SE 6.5仿真软件进行仿真测试。
实验结果表明，所设计的时序满足ICX415AL的时序要求，在29.5 MHz的时钟驱动下，每秒输出50帧图片，能满足高速跟踪要求。
关键词：行间转移型面阵CCD；驱动时序；相关双采样； FPGA中图分类号：TN386.5⁃34 文献标识码：A 文章编号：1004⁃373X（2013）02⁃0123⁃030 引言CCD（Charge Coupled Device）是20世纪70年代初发展起来的新型半导体集成光电器件，它可以把通过光学镜头投影到其上的景物可见光信号转换成比例的电荷包，并在适当的时钟脉冲的驱动下进行定向转移，从而输出成为电压视频图像。
CCD具有集成度高、功耗小、体积小、工作电压低、灵敏度高等优点[1⁃2]，目前已广泛应用与空间遥感、对地观测等领域。
按结构分类，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD，而面阵CCD按排列方式又可分为全帧转移（Full Frame）CCD、帧转移（Frame Transfer）CCD以及行间转移（Interline Transfer）CCD。
三种类型的CCD各有优缺点，其中行间转移CCD不需要机械快门，速度最快，最适合用于观测快速运动的物体。
本文设计了一种行间转移型面阵CCD的高速驱动电路[3⁃4]。
1 行间转移型面阵CCD的结构和工作模式本设计采用的是SONY公司的ICX415AL型号 CCD芯片，ICX415AL是行间转移型面阵CCD，对角线为8 mm，尺寸为8.3 μm×8.3 μm，总像元素为823（H）×592（V），有效像元为782（H）×582（V）。
毕业设计（论文）基于CPLD的行间转移面阵CCD驱动电路的研究学院（系）信息科学与工程学院年级专业电子科学与技术学生姓名指导教师I答辩日期摘要当前，随着面阵CCD技术的日益成熟和成本的逐渐降低，其应用也日渐广泛。
面阵CCD系统开发的最重要工作之一便是驱动电路的设计。
由于面阵CCD厂商生产的专用芯片价格较高且通用性不好，所以开发一种通用、可靠且性价比高的面阵CCD驱动电路系统具有重要意义。
本文首先分析了本面阵CCD（ICX098AK）驱动系统需要实现的基本功能并提出了系统基本架构和实现方案。
其次，根据对行间转移面阵CCD驱动时序的分析，设计了基于VHDL的驱动程序并进行了仿真，得到的结果与驱动时序要求一致。
再次，根据本面阵CCD的工作特点和驱动要求，给出了驱动电路的整体模块组成，并设计了以CPLD（EPM7128SLC84-5）时序发生装置和驱动脉冲合成装置为核心，利用MAX685及MAX687等芯片构成的多功能电源控制模块的面阵CCD驱动电路。
最后，根据已设计的驱动电路原理图设计了驱动电路的PCB印刷电路板，完成了PCB印刷电路板的布局、布线工作，制成了标准双层板。
并总结了诸多设计经验和技巧。
关键词面阵CCD；时序生成器；VHDL语言程序；原理图设计；PCB设计IIAbstractNowadays，driving by the prospect of the market and wide-spreading application , area CCD's technology is coming to maturity.And the most important work in projects that to develop CCD applicable systems are always the design of CCD's driving circuit . Despite specific driving chips are easy to use ,those chips from different manufaturers always incompatible with each others.So, it's meanningful to design a reliable,compatible and low cost area CCD driving system.Firstly ,This paper analyzed the demand of the design of area CCD's driving system and described the basic structure of the design. Secondly ,according to software simulation ,It has shown the design of VHDL driver of Sequence-Generator of the system. Thirdly ,the whole structure and the components of the system which was build up of several important chips(like MAX685,MAX687) was described. Finally ,it completed the design by developing a PCB circuit from schs of the system and it summarized a lot significant experiences of the proccess of the design.Keywords Area CCD; Sequence-Generator; VHDL ;SCH-design;PCB-designIII目录摘要 (II)Abstract ............................................................................................................... I II 第1章绪论. (1)1.1 课题背景 (1)1.2国内外研究现状 (1)1.3课题研究的意义和任务 (2)1.4课题研究的内容及论文结构安排 (3)第2章面阵CCD工作原理及系统方案设计 (5)2.1常见面阵CCD传感器的分类及工作原理 (5)2.2 面阵CCD传感器常见的驱动方法及比较 (6)2.3行间转移面阵CCD驱动系统方案设计 (6)2.3.1基本方案 (6)2.3.2 ICX098AK工作特点 (7)2.3.3基于VHDL的驱动时序设计流程 (7)2.3.4 面阵CCD支持电路及驱动脉冲合成器总体构架 (9)2.3.5上电控制及电源支持设计方案 (9)2.3.6驱动脉冲合成器设计方案 (10)2.4本章小结 (11)第3章ICX098AK驱动程序设计与仿真 (13)3.1引言 (13)3.2 使用VHDL进行驱动程序的设计 (13)3.2.1 面阵CCD驱动时序分析及设计目标 (13)3.2.2时序信号编程实现的方式 (16)3.2.3重要的编程问题和解决方法 (17)3.2.4本程序的特点 (18)3.3在程序编写中积累的部分经验 (18)3.3.1延时方面 (18)3.3.2程序方面 (19)3.3.3算法方面 (19)3.4程序软件仿真结果以及和预期的比较 (20)3.5本章小结 (22)第4章ICX098AK驱动硬件电路的设计 (23)IV4.1 电路开发环境--AltiumDesigner6.3介绍 (23)4.2 驱动电路的设计 (24)4.2.1 概述 (24)4.2.2 电路系统构成 (24)4.2.3 驱动脉冲产生电路 (26)4.2.4上电顺序管理电路（Sequence_PowerForCCD） (27)4.2.5电平转换电路 (28)4.2.6 CPLD下载电路，系统时钟 (30)4.2.7输出信号预处理电路 (31)4.2.8 面阵CCD驱动电路的跳线设置和工作流程 (32)4.2.9 JTAG下载电缆电路 (33)4.3细节参数的确定 (34)4.3.1电平转换与上电控制电路参数 (34)4.3.2去耦电容和滤波电容参数 (35)4.3.3数字地和模拟地 (35)4.4设计操作技巧的总结 (35)4.5 本章小结 (36)第5章驱动电路印刷电路板设计 (37)5.1引言 (37)5.2 PCB布局 (37)5.2.1 电路工作速度分析 (37)5.2.2 系统重要模块的布局 (38)5.2.3 为配合模块布局做的原理图调整 (39)5.3 驱动电路PCB布线 (40)5.3.1 PCB设计原则 (40)5.3.2 驱动电路布线过程 (41)5.3.3 完成后的驱动电路PCB (42)5.3.4 本次PCB设计经验 (45)5.4本章小结 (45)结论 (47)参考文献 (48)附录1 (49)附录2 (53)附录3 (57)附录4 (67)V附录5 (73)致谢 (82)VI第1章绪论1.1 课题背景随着面阵CCD技术的日渐成熟，面阵CCD在社会各领域的应用也愈来愈广泛。
