基于FPGA-SPARTAN芯片的CCD的硬件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　CCD驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)現(xiàn)是CCD應(yīng)用技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。以往大多是采用普通數(shù)字芯片實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路，CCD外圍電路復(fù)雜，為了克服以上方法的缺點(diǎn)，利用VHDL硬件描述語(yǔ)言.運(yùn)用FPGA技術(shù)完成驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路的實(shí)現(xiàn)。該方法開發(fā)周期短，并且驅(qū)動(dòng)信號(hào)穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)功能模塊完成后可以先通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，再實(shí)際投入使用，降低了使用風(fēng)險(xiǎn)性。

　　1 硬件設(shè)計(jì)

　　CCD的硬件驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)的核心器件是SPARTAN系列芯片XC3S50;CCD采用Atmel公司的CCDTH7888A圖像傳感器;CCD驅(qū)動(dòng)脈沖由XC3S50提供，脈沖信號(hào)產(chǎn)生后由驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)脈沖電壓進(jìn)行變換使其符合TH7888A的驅(qū)動(dòng)電壓要求。CCD像素輸出電壓經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊處理電路VSP2272芯片的處理得到數(shù)字信號(hào)，最后為了方便傳輸和方便后續(xù)模塊對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理將數(shù)字信號(hào)由TTL電平轉(zhuǎn)換成LVDS電平進(jìn)行輸出，整個(gè)系統(tǒng)如圖1所示。

　　1.1 TH7888A簡(jiǎn)介

　　CCD圖像傳感器采用THOMSON公司生產(chǎn)的TH7888A。它是一種高性能的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD器件，采用四相脈沖驅(qū)動(dòng)工作，并提供電子快門的功能;同時(shí)，它具有2種輸出的模式：?jiǎn)温份敵龊碗p路輸出。其主要的性能參數(shù)如下：

　　光敏區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)均為1024×1024像素;速度可以達(dá)到30 images/s以上;像元尺寸為14 mm×14 mm;感光區(qū)面積為14.34 mm×14.34 mm;光譜波長(zhǎng)范圍在400～700 nm之間;像元輸出頻率為20 MHz。

　　1.2 XC3SC50簡(jiǎn)介

　　XC3S50屬于XILINX公司SPARTAN3系列的FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)，是一種高性能器件，其特點(diǎn)是：器件運(yùn)用90 μm加工技術(shù);具有高性能低功耗的特點(diǎn);邏輯密度達(dá)1 728個(gè)可用門;3路電源供電即I/O端口供電為1.2～3.3V，核心供電1.2V，輔助功能供電2.5V;帶有2 KB容量分布式RAM和7KB容量的BLOCK RAM，高級(jí)的邏輯時(shí)鐘管理功能。Ahera公司QuartusⅡ開發(fā)系統(tǒng)提供應(yīng)用設(shè)計(jì)支持。

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序用VHDL描述。VHDL是可以描述硬件電路功能、信號(hào)連接關(guān)系的語(yǔ)言，其具有比電路原理圖更有效地表示硬件電路的特點(diǎn)。由于它與硬件電路無(wú)關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，用來(lái)設(shè)計(jì)電路時(shí)可大大提高開發(fā)效率。

　　由芯片的結(jié)構(gòu)可以知道，CCD的1個(gè)周期分成感光和轉(zhuǎn)移2個(gè)階段，如圖2所示。

　　感光階段即A的上升沿階段，主要實(shí)現(xiàn)3個(gè)功能：感光陣列的電荷積累，幀存儲(chǔ)區(qū)到轉(zhuǎn)移寄存器的電荷轉(zhuǎn)移以及轉(zhuǎn)移寄存器向輸出放大器的電荷輸出(即行轉(zhuǎn)移);轉(zhuǎn)移階段即A的下降沿階段，主要完成感光陣列所積累的電荷向幀存儲(chǔ)區(qū)的轉(zhuǎn)移(即幀轉(zhuǎn)移)，同時(shí)清空幀存儲(chǔ)區(qū)的無(wú)效電荷。其具體的工作過(guò)程分析如下：