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基于CPLD的CCD时序控制设计

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收稿日期:2007-04-161 作者简介:赵春雷(1980～),男,吉林省长春市人,讲师,在读硕士研究生.基于CPLD的CCD时序控制设计

赵春雷1　白连红2　徐　澍2(1:吉林建筑工程学院科学研究处,长春　130021;　2:河南省信阳职业技术学院,信阳　464000)摘要:在分析CCD驱动的基础上,以复杂可编程逻辑器件(CPLD)为平台,使用VHDL语言进行硬件描述来完成对CCD的时序驱动及对数据量化、采集的控制设计.关键词:CCD;CPLD;在系统可编程(isp)中图分类号:TP333.5 文献标识码:A 文章编号:100921288(2008)0320093204

DesignonTimingControlofCCDBasedonCPLD

ZHAOChun2lei1,BAILian2hong2,XUShu2(1:DepartmentofScientificResearchJilinArchitecturalandCivilEngineeringInstitute,Changchun　130021;2:XinyangVocationalandTechnicalCollege,Xinyang　464000)Abstract:Timingscheduleshavebeenexaminedindetails,completethedesignoftimingcontrolwithVHDLbaseoncomplexprogrammablelogicdevice(CPLD)asthehardwareplatform.Keywords:CCD;CPLD;ISP

0　前言 电荷耦合器件(CCD)作为一种光电转换器件,具有自扫描、体积小、分辨率高、可靠性好、光谱响应宽等优点,已广泛应用于图像传感、景物识别、非接触测量等领域[1].CCD应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理.然而,由于CCD的系列种类很多,不同生产商的CCD器件的驱动时序往往是不同的,致使驱动信号的产生,必须根据具体的CCD器件时序要求来设计驱动电路.如何快速、方便地产生CCD驱动电路,已成为CCD应用的关键问题之一.常用的CCD驱动时序的产生方法,有直接数字驱动法、单片机驱动法、EPROM驱动法和专用IC驱动法.单片机驱动方法虽调节时序灵活,但驱动频率较低;EPROM驱动方法结构简单,可结构尺寸太大;专用IC驱动方法对于一些特定的应用场合,如工业测量、传感器等地方,显得灵活性不好;传统的直接数字电路驱动方法虽然可以获得高速的驱动频率,但逻辑设计比较复杂,调试也较为困难[2].笔者探讨了基于CPLD(ALTERA公司ACEX系列EP1K30QC208-3型号)的CCD时序设计方法.为产生CCD驱动时序,此处采用复杂的可编程逻辑器件(CPLD).其包括可编程逻辑宏单元、可编程I/0单元、可编程内部连线三种结构,可以替代几十甚至上百块通用IC芯片.实际上构成一个子系统部件,其集成度远远高于PAL等传统的PLD器件,并在速度上有一定的优势,并且具有系统在线编程能力(ISP)[3].传统的编程技术是将PLD器件插在编程器上编程,而在系统可编程技术(isp)则可不用编程器,直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对PLD器件编程,这就打破了使用PLD必须先编程后装配的惯例,而且,在系统可编程器件不需要编程高压,即可实现在系统可编程.电路设计完成后,如果想更改逻辑设计,　第25卷　第3期2008年9月吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报JournalofJilinArchitecturalandCivilEngineeringInstituteVol.25　No.3Sep12008　不必再更改任何硬件电路,只需将CPLD内部逻辑重新编程即可[4].因此非常适合CCD驱动电路的设计、制作、调试和进一步开发、升级.笔者将对这种基于CPLD的时序设计方法在线阵CCD多通道光谱分析仪中的应用作详细介绍.1　基于CPLD实现CCD的时序设计111　线阵CCD多通道光谱分析仪系统组成图1　线阵CCD多通道光谱仪组成结构 线阵CCD多通道光谱仪系统组成结构如图1所示.CCD传感器在驱动脉冲的作用下,接收光信号,进行光电转换,输出模拟信号,因后面的处理电路中要处理的是经过数字量化后的CCD输出信号,在经过A/D量化处理后,输出数字信号,单片机通过RS-232串行总线与PC机通信,完成由PC机发来的命令,采集数字信号经数据缓冲器存入存储器,以备后续处理电路的分析和计算.数据缓冲器是为了解决AD的高速输出和单片机相对低速的采集二者之间速率不匹配而设计的.CCD的时序逻辑由信号发生器产生,主要功能是产生CCD驱动信号、AD器件和缓冲器的信号时序,在单片机的控制下完成对缓冲器的复位、写操作功能.112　系统时序分析

图2　CCD驱动脉冲时序关系 在该设计中,器件选用TCD102C型线阵CCD和XRD4460专用视频处理AD芯片.TCD102C型CCD典型工作频率为1MHz,因其为12V驱动,而CPLD产生的驱动脉冲为TTL电平,不满足其工作要求,所以先产生反相CCD驱动信号,经过EL7212CN驱动器后,输出给CCD器件.SH转移脉冲至少要维持2084个像素时钟.图2为CCD驱动脉冲时序关系[5].CCD输出信号的噪声主要有光子散弹噪声、暗电流噪声、

图3　相关双采样时序图输出放大器产生的复位噪声.其中,对输出信号影响最大的是复位噪声(亦称KTC噪声).

若要后面的处理电路能够正确得出处理数据,就要先得出正确的CCD输出数字信号.相关双采样是抑制复位噪声常用的方法.CCD视频信号是周期模拟信号,每一像素时钟周期起始于复位脉冲的上升沿,相关双采样法最重要的就是如何调整两次采样同一像素时钟周期内CCD输出信

图4　数据缓冲器写信号时序号的时间,才能够更好地提取视频信号.图3所示为相关双采样时序,SHP和SHD分别采样暗电平和信号电平.CLAMP钳位信号钳位暗像素电平,RSTCCD的时间关系与CCD的RS信号一致[6].由于ADC转换和并行数字的更新需2.5个采样周期,若从复位脉冲的上升沿计算,从视频信号输入到数字视频信号输出共需要4个SHP/SHD时钟周期延迟,所以,在给存储器送行有效信号LVAL信号时要考虑到此影响,否则不仅引起像素整体平移,而且每一行的前后各有4个数据会产生错误.信号发生器接受单片机外触发信号,低电平复位数据缓冲器,信号发生器在下一个行有效信号到来后,开始把AD转换后的数据写入缓冲区.写信号的时序如图4所示[7],由CCD的RS信号和AD器件的SHP决定.在CCD后续电路各器件信号中,都以像素时钟周期为基准,每一像素时钟周期起始于复位脉冲的上升沿,所以各信号逻辑关系由RS来定位.113　设计输入 这里采用的设计输入方式为VHDL.与其它硬件描述语言相比,VHDL具有更强大的行为描述能力,从49吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报第25卷

图5　时序设计方法而决定其成为系统设计领域最佳的硬件描述语言;VHDL丰富的仿真语句和库函数,使得在任何大系统的早期设计(即尚未完成),就能验证设计系统的功能可行性,随时可对设计进行模拟仿真;VHDL语句的行为描述能力和程序结构,决定其具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能;对于用VHDL完成的一个确定的设计,可以利用EDA工具进行逻辑综合和优化,并自动地根据不同的实现芯片,把VHDL描述设计转变成门级网表[8].该方式突破了门级设计的瓶颈,极大地减少了电路设计的时间和可能发生的错误,降低了开发成本;由于VHDL具有类属描述语句和子程序调用等功能,对于已完成的设计,在不改变原程序条件的情况下,只需改变类属参量或函数,就能轻易地改变设计的规模和结构.图5为本系统时序设计原理,在CCD一个转移脉冲SH周期中含有多个(一般以千计)移位时钟,在一个移位时钟中,各路信号在不同的时刻发生变化.所以对于整个时序的设计,主要采用分频和计数的方法来实现.时序脉冲可以用两个参数描述:①脉冲宽度(描述时序脉冲形状的参数,包括高电平宽度和低电平宽度);②相位差(各个脉冲之间的相位关系).根据CCD手册和AD器件的手册,依照各信号的参数选择晶振,本例中通过类属描述语句GENERIC(CONSTANTN:INTEGER:=1042);通过对CCD驱动脉冲φ1,φ2计数来实现积分时间可调.114　isp器件设计流程

图6　系统逻辑功能仿真波形 基于isp器件CCD的时序逻辑设计流程包括下列步骤:设计输入,设计实现,器件编程,设计校验.设计输入:首先按CCD时序信号发生器的原理将其分成几个逻辑关系层,利用模块化的设计方法,对各部分逻辑关系使用原理图和硬件描述语言混合进行描述.设计实现:从设计输入文件到熔丝图文件的编译实现.包括逻辑、合并、映象、布局、布线、生成编程数据文件(JEDEC).使用软件的引脚锁定功能,将信号连接在制定的引脚上可以方便设计,所有布局布线过程均可自动完成.器件编程:将设计阶段生成的JEDEC文件(熔丝图)装入(Download下载)到器件中.ispLSI的编程和改写由片内的状态机控制,状态机的输入即为片内的5个编程信号.设计校验:设计校验过程与设计过程是同步进行的,针对设计输入、设计实现和器件编程,设计校验可以分为前仿真、后仿真和实验验证三个部分.在设计输入阶段,进行的功能仿真验证逻辑功能,所以又称功能仿真

;后仿真又叫时延仿真,是在选择了具体器件并完成布局布线后进行的定时关系仿真.2　结语 通过实验证明,该设计合理,能够满足系统要求及正常工作.时序电路中的CPLD,除提供需要的信号外,仍然保留部分引脚和功能模块,以备今后信号驱动时序电路进一步改进和增加新的功能需要,而且,这种以CPLD作为时序信号发生器可以节省PCB的面积.系统可编程打破了传统的可编程逻辑器件的局限,使得在软件设计环境中,使用VHDL对CCD时序设计进行描述,实现硬件设计的软件化,从而缩短了系统的调试周期.在电路设计完成以后,如果要增加或减少某些功能或者更改逻辑设计,则可在不改变任何硬件的情况下,只对CPLD内部逻辑重新编程,就可实现驱动器的更新换代.59　第3期赵春雷,白连红,徐　澍:基于CPLD的CCD时序控制设计参　考　文　献 [1]　王庆有1图像传感器应用技术〔M〕1北京:电子工业出版社,20031 [2]　张金凤,王海涌,申功勋1用CPLD实现线阵CCD的驱动〔J〕1测控技术,2005,24(5):76-781 [3]　谷东兵1CCD驱动信号的几种产生方法〔J〕1传感器技术,1992(6):50-521 [4]　黄正瑾1在系统编程技术及其应用〔M〕1南京:东南大学出版社,19971 [5]　TOSHIBA公司线阵CCD数据手册〔s〕1http://www.toshiba.com1 [6]　EXAR公司XRD4460数据手册〔s〕1http://www.exar.com1 [7]　IDT公司FIFO数据手册〔s〕1http://www.idt.com1 [8]　曾繁泰,陈美金1VHDL程序设计〔M〕1北京:清华大学出版社,20011

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基于FPGA的线阵CCD的驱动程序的设计

基于FPGA的线阵CCD的驱动程序的设计

南京理工大学

毕业设计说明书(论文)

作 者: XX 学 号： 080403227

系： 电子工程与光电技术系

专 业: 电子科学与技术

题 目: 基于FPGA的线阵CCD驱动

指导者：

(姓 名) (专业技术职务)

评阅者：

(姓 名) (专业技术职务)

2012 年 5 月 教授

南 京 理 工 大 学 紫 金 学 院

毕业设计（论文）评语

学生姓名： 班级、学号： 080403227

题 目： 基于FPGA的线阵CCD驱动

综合成绩：

指导者评语：

本文从线阵CCD原理出发，利用可编程门阵列FPGA对线阵CCD采集驱动时序进行编程并调试，获得了较好的效果。所作的工作反映了该学生较好地掌握了CCD和FPGA开发的基本知识，技术和水平得到了提高。该设计方案的论证充分，试验方案合理，获得结果有实用价值。

该学生在毕业设计期间，认真、踏实、细致，态度端正。论文写作符合规范和要求，达到了本科生毕业设计论文的要求，完成了毕业任务的要求。可以提交答辩，建议成绩评为优秀。

指导者(签字)：

2012 年 5 月 14 日 毕业设计（论文）评语

评阅者评语：

评阅者(签字)：

年 月 日

答辩委员会（小组）评语：

CCD时序

CCD时序

基于FPGA的CCD相机时序发生器的设计

时间：2011-01-20 15:26:26 来源： 作者：

1 引言

科学级CCD相机（Scientific grade CCD camera）是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的CCD相机，用于对微光信号检测和微光成像。它在射线数字成像检测、生物医学工程、水下摄影、武器装备、天文观测、空间对地观测等多种技术领域得到了广泛应用。

科学级CCD相机一般由高速CCD 感光芯片、视频信号处理器、时序控制器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像系统等部分组成，其中时序发生器性能的优劣直接决定了相机的品质参数。该科学级CCD相机采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作为传感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作过程和对驱动信号的要求，在此基础上设计出合理的时序电路， 为了满足在实际工作中像移速度异速匹配的要求，在时序电路的设计中时序发生部分是可调的。这种设计方案简单、可靠、实用。在综合比较各种硬件实现电路的优缺点后，选用现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 作为硬件设计平台，使用VHDL 语言对驱动电路方案进行了硬件描述，采用EDA 软件对所设计的时序发生器成功地进行了功能仿真。最后针对XILINX公司的可编程逻辑器件XC2VP20-FF1152进行了适配和硬件电路调试，进而实现了对整个科学级CCD 相机的控制。

2 TDI-CCD的工作原理及驱动分析

2.1 TDI-CCD工作原理简介

TDI（time delay and integration）是一种能够增加线扫描传感器灵敏度的扫描技术。TDI-CCD是具有一种面阵结构、线阵输出的新型CCD，较普通的线阵CCD而言，它具有多重级数延时积分的功能。从其结构来看，多个线阵平行排列，像元在线阵方向和级数方向呈矩形排列，像元分布示意图如图1所示。

CCD的应用12131

CCD的应用12131

CCD的应⽤12131

CCD的应⽤

⼀、概述CCD（Charged Coupled Device）于1969 年在贝尔试验室研制成功，后由⽇、美等国公司开始量产，期间从初期的10 多万像素已经发展⾄⽬前主流应⽤的500 万像素。CCD 分为线型与⾯型两种，其中线型应⽤于影像扫瞄器及传真机上，⽽⾯型主要应⽤于数码相机（DC）、摄录影机、监视摄影机等影像产品上。对于⾯型CCD，根据其⼯作⽅式⼜分为：帧转移型，⾏间转移型和⾏帧转移型三种，根据其扫描⽅式⼜分为全帧和隔⾏两种，全帧型多⽤于专业级, 隔⾏多⽤于民⽤级。

⼆、CCD的特点1、⾼解析度：像点的⼤⼩为µm 级，可感测及识别精细物体，提⾼影像品质。从早期1 ⼨、1/2 ⼨、2/3 ⼨、1/4 ⼨到现在的1/9 ⼨，像素数⽬已从初期的10多万增加到千万像素，以后还有继续增加的趋势。2、低噪声⾼敏感度：CCD具有很低的读出噪声和暗电流噪声，因此有⽐较

⾼的信噪⽐（SNR），同时具有⾼敏感度0 . 0003～0 . 0005LUX 甚⾄0LUX 低光度的⼊射光也能检测到，其信号不会被噪声掩盖，所以CCD 的应⽤基本不受⽓候的限制；3、动态范围⼴：通过数字处理的CCD 信号, 其动态范围可达到400%, 专业

级可达到600%, 可同时适⽤于强光和弱光，提⾼系统环境的使⽤范围，不因亮度差异⼤⽽造成信号反差现象；4、良好的线性特性曲线：⼊射光源强度和输出信号⼤⼩成良好的正⽐关系，能很好地反映被摄图像的细节层次，降低信号补偿处理成本；5、光⼦转换效率⾼：很微弱的⼊射光照射都能被记录下来，若配合影像增

强管及投光器，即使在⿊夜远处的景物仍然还可以拍摄到；6、⼤⾯积感光：利⽤半导体技术已可制造⼤⾯积的CCD 晶⽚，⽬前与传统

胶⽚尺⼨相当的35mm 的CCD 已经开始应⽤在数码相机中，成为取代专业光学相机的关键元件；7、光谱响应⼴：从0.4～1.1µm, 能检测很宽波长范围的光，增加系统使⽤弹性，扩⼤系统应⽤领域；当然根据不同的应⽤场合和要求，需⽤滤⾊⽚或复合滤⾊⽚；8、低影像失真：使⽤CCD 感测器，其图处理不会有失真的情形，使原物体表⾯信息忠实地反应出来；

CCD信号处理

CCD信号处理

完善的CCD信号处理器AD9824及其应用

1 引言

CCD是20世纪70年代迅速发展起来的一种新型半导体探测器件。它具有以下突出优点：低噪声输出、动态范围大、量子效率高、电荷转移效率高、光谱响应范围宽、几何稳定性好。

随着C制造和工艺的不断发展，CCD又具备了分辨率高、工作频率高等特点，因此CCD得到广泛的应用[1]。CCD的应用离不开高性能的CCD信号处理芯片，本文将介绍一种完善的面向面阵CCD的信号处理器AD9824[2]，包括它的内部结构、工作模式、配置方式，以及用内嵌的NiosⅡ软核的FPGA进行管理和应用的方法

2 AD9824的介绍

2.1 主要特点

AD9824是美国ADI（Analog Devices Inc）公司的一款面向CCD的完善的低功耗单通道模拟信号处理器。它内含最高30MSPS的相关双采样（CDS）电路、像素增益放大器（PxGA）、可编程增益放大器（VGA）、14位精度的最高采样率为30MSPS的A/D转换器。AD9824可以工作在三种模式下，对面阵CCD信号、模拟视频信号和普通的交流信号进行A/D转。AD9824以其高精度、高速度的模数转换能力，以及它所具有的完善的性能结构，广泛的应用在工业控制、医疗仪器、科学研究等领域的高精度图像采集系统等。

AD9824的主要特征：

 14bit、30MHz的A/D转换器

 30MHz相关双采样（CDS）

 4dB±6dB，6bit像素增益放大器（PxGA）

 2dB-36dB，10bit可编程增益放大器（VGA）

 低噪声箝位电路

 模拟视频信号预息影功能

 带可增益放大器和输入嵌位的辅助功能

 3线串行接口配置

 3V但电源供电，功耗仅为153mW

48脚LFCSP封装，大大节省电路板空间

2.2 结构与性能

2．2．1 内部结构

图1 AD9842引脚排列 作为一款完善的CCD信号处理器，AD9824内部几乎集成了面向面阵CCD信号采集所需要的所有模块，不仅如此，AD9842还可以对模拟视频以及一般的交流信号直接进行采集，这也是一般CCD信号处理芯片不具备的。图2所示为AD9842的内部结构。从图中，我们可以看到AD9824有三条输入通道：CCDIN、AUX1、AUX2，分别为CCD原始信号、不需要CDS的交流信号和复合视频信号的接口引脚。无论哪条通路进来的信号最后都要通过MUX进入主要的A/D转换通道。通过内部寄存器的配置，AD9824工作在其中一种采集通道下，将会有不同的模块发生作用以完善信号的采集过程。