基于fpga的高速ccd驱动电路的设计与实现

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1、2010年1月西安邮电学院学报Jan．2010第15卷第1期JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFPOSTSANDTELE(X)MMUNICATIONSVo1．15No．1基于FPGA的高速CCD驱动电路的设计与实现杨波，陈文艺2(1．西安邮电学院自动化学院，陕西西安710121；2．西安邮电学院通信与信息工程学院，陕西西安710121)摘要：高速CCD驱动电路的设计是OCD相机在图像采集中成功应用的关键技术之一。以DALSA公司近年来推出的高性能CCD图像传感器IL—P3为例，在分析其驱动时序关系的

2、基础上，结合FPGA和Verilog硬件描述语言，设计一个积分时间可调的高速CCD驱动电路，在quartusII开发环境下进行功能仿真。选用ALTERA公司的cyclone器件EP1C12Q240C8作为硬件设计平台。仿真和实验表明，设计的驱动电路能满足驱动时序的要求。关键词：电荷耦合器件(CCD)；驱动电路；现场可编程逻辑器件()；IL-P3中图分类号：TI9．1文献标识码：A文章编号：1007—3264(2010)01—0093—05逻辑器件cyclone，结合VerilogHDL语言进行驱动引言电路设计，对频

3、率和时序要求都很高的驱动电路来说，具有高集成度、高可靠性、高速度、开发周期短和随着科学技术的发展和图像采集系统的广泛应调试灵活方便等优点。用，人们对图像采集系统的主要指标，如采样速率、分辨率、精度以及抗干扰能力等方面，都提出了越来1IL—P3驱动电路的设计越高的要求。CCD作为光电转换式图像传感器，以其灵敏度高、动态范围大、体积小、功耗低、分辨率高1．1IL—P3的主要特点和采样速度快等特点，成为现代电子学和现代测试IL—P3是增强型像敏单元【，具有快速响应和技术中最活跃的传感器。常规的CCD驱动电路实较低的像元传

4、输延迟，适合高速率和高分辨率应用现方法主要有：直接数字驱动、单片机驱动、EPROM场合，它主要有三个模块组成：表面光积分单元，用驱动、专用IC驱动。现在，FPGA以其规模大、系统于产生电荷信号；CCD移位寄存器，用于电荷信号可编程、速度快、可靠性高、实现硬件的软件化设计的转移；输出放大器，将电荷信号转换成电压信号。等优势成为数字系统设计的主流，非常适合CED时IL—P3的结构如图1。序电路的设计。‘本文采用ALTERA公司的可编程图1IL—P3的结构图收稿日期：2009—09—01作者简介：杨波(1984一)，男，

5、陕西韩城人，西安邮电学院自动化学院硕士研究生；陈文艺(1964一)，男，重庆人，西安邮电学院通信与信息工程学院教授，硕士生导师。·94·西安邮电学院学报2O10年1月图中IL-P3的有效像元为2048个，像元大小力、转移效率、信噪比等性能的一个重要因素。本文为14tnn×14tma，感光面积为196t,m2，长宽比为采用可编程逻辑器件FPGA与Verilog语言，通过1：1。像元将光信号转换成电荷信号，电荷量的大小软件编程对其l㈨硬薹2；件L结K慨构r和工作方式进行重构，从而依赖光强和积分时间的大小且呈现线性变化。

6、电荷使得硬件设计如同软件设计那样方便快捷。被收集到一个独立的存储井，各个存储井紧邻其相IL—P3一B正常工作需要六路时钟信号，即两应的像元，这将有助于减小图像延迟和像元复位时相时钟信号CR1和CR2，信号输出时钟信号CR—的不均匀性及感光单元与CCD移位寄存器之间的LAST，像元复位信号RST，行转移同步信号TCK，信号串扰。IL—P3的主要指标如下：积分时间控制信号PR。整个驱动信号的工作过程单输出，最高驱动频率为40MHz；如下：当TCK的高电平到来时，CCD传感器曝光的低延迟的表面栅光敏元；光敏单元会将采集到

7、的光信号转移到相应的移位单最大行扫描率为19KHz；元中。CCD的光敏单元在PR积分控制信号的作用过饱和曝光时间的控制；下重新开始感光积分，而进入移位单元中的信号将动态范围大于1800：1，具有良好的线性输出；在两相操作时钟CR1和Cl的作用下移动。RST高灵敏度，响应率达到43(V／Uj／cm2)；信号的作用是减小两像元之间的相关信号，在当前1．2IL—P3驱动时序的分析像元输出后到下一个像元到来前，对残余信号进行高速CCD的驱动信号是一组时序关系比较复清除。各驱动信号间的时序关系如图2。杂的脉冲信号，它是影响C

8、CD器件的信号处理能广_-、厂一]厂、厂_、厂l厂弋厂_、厂_、厂-、厂_、厂-、厂_、几厂1厂’．厂_、厂、厂_、厂_、厂_弋厂_、厂_、厂、门__、几几厂_、门．_、厂——_、厂、厂、厂I厂一、厂_、厂-、厂_、厂-、厂．、厂-、广-、厂．、厂，—一、日n¨0IIn日HⅡnnn且nIf、IQr＼『、!『＼里：]＼工S暗像元OC过度时钟像元l视频采样图2I