基于FPGA的行間轉(zhuǎn)移面陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1、引言

電荷耦合器件（CCD）是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它將圖像信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于CCD具有集成度高、低功耗、低噪聲、測(cè)量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在精密測(cè)量、非接觸無損檢測(cè)、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1］。面陣列CCD成像器件分為全幀轉(zhuǎn)移（FullFrame）CCD、幀轉(zhuǎn)移（Frame.Transfer）CCD、行間轉(zhuǎn)移（InterlineTransfer）CCD三種類型。行間轉(zhuǎn)移CCD中的成像區(qū)與存儲(chǔ)區(qū)呈列交錯(cuò)，因此不需要機(jī)械快門，速度最快且能連續(xù)成像；同時(shí)在真正的成品中，會(huì)在每個(gè)像素上加微透鏡從而彌補(bǔ)了填充因子小的缺點(diǎn)。典型的消費(fèi)級(jí)的相機(jī)，一般用的都是行間轉(zhuǎn)移CCD。

CCD器件需要驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)才能正常工作，而驅(qū)動(dòng)電路就為CCD提供所需的時(shí)序邏輯和相關(guān)的電壓信號(hào)，所以驅(qū)動(dòng)電路的研制就顯得十分的重要。CCD的驅(qū)動(dòng)電路主要由供電模塊、驅(qū)動(dòng)器電路和驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生電路三部分組成。常用的幾種CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序產(chǎn)生方法包括：中小規(guī)模數(shù)字邏輯電路驅(qū)動(dòng)方法、使用只讀存儲(chǔ)器方法、微處理器或數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、使用可編程邏輯器件，CPLD或FPGA等。本文中驅(qū)動(dòng)時(shí)序采用第三種方法可編程邏輯器件FPGA來實(shí)現(xiàn)。

2、KodakCCDKAI-0340簡介

KAI-0340是Kodak公司生產(chǎn)的一款行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD，單（雙）通道輸出可選擇（本文中選用單通道輸出模式）。主要的性能參數(shù)如下：

具有以下特征：

·水平、垂直均為兩相驅(qū)動(dòng)，其中一相垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘為三電平

·電子快門

·低暗電流、高靈敏度

·每行左右兩端各有24個(gè)暗像元，可以作為暗電平參考

3、CCD供電模塊

為了保證CCDKAI-0340S正常工作，需要的驅(qū)動(dòng)電壓和直流偏置電壓具體要求如表1所示。

對(duì)表1進(jìn)行分析可知：只需+15V和-9V兩組電壓就可實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD的基本偏置；H1、H2水平移位驅(qū)動(dòng)工作電壓峰峰值為5V（-5V~0V），R復(fù)位驅(qū)動(dòng)的工作電壓峰峰值也為5V（-3V~+2V），因此取+5V作為水平和復(fù)位驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的工作電壓；V1垂直轉(zhuǎn)移的工作電壓9V（-9V~0V），V2為三電平（-9V、0V、+9V），從而取±9V作為垂直驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的工作電壓；電子快門脈沖電壓為VAB~VAB+40V（峰峰值為40V），需要±20V電路來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)結(jié)合整個(gè)CCD成像系統(tǒng)供電需求，得出所需電壓電平種類為：+3.3V，+5V，±9V，+10V，+15V，±20V。為了提高系統(tǒng)的電源效率，設(shè)定整個(gè)供電系統(tǒng)的外部輸入電壓為三種：+5V，-10V，+15V。+9V、+10V和+3.3V電壓通過集成穩(wěn)壓器LT1764EQ和LT1764EQ-3.3來實(shí)現(xiàn)；-9V通過-10V電壓分壓得到；產(chǎn)生電子快門高壓脈沖所需±20V電源采用±10V脈沖倍壓電路實(shí)現(xiàn)，具體電路的原理圖如圖1所示［2］。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用表明，電源模塊滿足各功能電路所需電壓及功耗。


　4、驅(qū)動(dòng)器電路

面陣CCDKAI-0340S的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘分為水平移位時(shí)鐘、復(fù)位時(shí)鐘、垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘、電子快門時(shí)鐘四種，需要的驅(qū)動(dòng)電壓具體要求見表1。

CCD在單端輸出模式下，水平移位時(shí)鐘對(duì)應(yīng)圖像傳感器的管腳連接如下：H1=H1S（5）+H1BL（4）+H2BR（9）;H2=H2S（7）+H2BL（3）+H1BL（8）。H1，H2，R共用一片74AC04驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)時(shí)鐘使用兩個(gè)門驅(qū)動(dòng)，再配合濾波電容和鉗位電路便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)面陣CCD的水平和復(fù)位驅(qū)動(dòng)。

垂直轉(zhuǎn)移需要V1、V2兩相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，其中V2為三電平，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA產(chǎn)生的信號(hào)只有‘0’和‘1’兩種狀態(tài)，所以需要將信號(hào)V2分解成V2HM和V2ML兩個(gè)信號(hào)。V1通過一片EL7212進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，配合濾波電容和鉗位電路實(shí)現(xiàn)。

V2驅(qū)動(dòng)器選用一片MAX4426，通過V2HM控制其電源端（將V2HM反向）。當(dāng)V2HM為高的時(shí)候，MAX4426產(chǎn)生峰峰值9V的輸出信號(hào)，當(dāng)V2HM由高變低時(shí)，MAX4426的電源端被升到18V，從而產(chǎn)生出滿足要求的三電平信號(hào)V2。電子快門脈沖電壓為VAB~VAB+40V（峰峰值為40V），使用分立元件產(chǎn)生，具體電路的原理圖如圖2所示。


5、CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)

KAI-0340S工作需要6路驅(qū)動(dòng)信號(hào)：分別是兩相水平移位寄存器時(shí)鐘H1、H2；復(fù)位脈沖時(shí)鐘RL；兩相垂直轉(zhuǎn)移時(shí)鐘V1、V2（分解成V2HM和V2ML）；電子快門時(shí)鐘SUB。CCD成像的一個(gè)工作周期分三個(gè)階段：曝光階段，行間轉(zhuǎn)移階段和水平移位階段。CCD工作時(shí)，首先底層出現(xiàn)電子快門脈沖將光敏區(qū)的電荷清除，電子快門脈沖之后開始圖像信號(hào)積分階段，積分完成后V2上的高電平把光敏區(qū)的包含圖像信息的電荷包轉(zhuǎn)移到擋光的垂直CCD上，接下來通過V1和V2的互補(bǔ)時(shí)鐘逐行把垂直CCD中的電荷包轉(zhuǎn)移到水平CCD上，再通過H1和H2的互補(bǔ)時(shí)鐘逐個(gè)把水平CCD上的電荷包轉(zhuǎn)移到浮置擴(kuò)散輸出節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行電荷測(cè)量供后續(xù)電路處理，同時(shí)CCD又可進(jìn)行下一幀圖像的曝光。KAI-0340S的詳細(xì)驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系參見其使用說明書。其中實(shí)現(xiàn)H1和H2部分程序如下：

本文選用的FPGA是Xilinx公司的XC2S150，一共有150，000個(gè)邏輯門，滿足整個(gè)系統(tǒng)的所有需求；采用硬件描述語言VHDL進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，用ModelSim仿真，關(guān)鍵部分的波形見圖3。


6、結(jié)論

本文的創(chuàng)新是：先將V2三電平進(jìn)行分解，之后巧妙地利用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器和鉗位電路來實(shí)現(xiàn)三電平階梯波形的時(shí)序驅(qū)動(dòng)；采用FPGA器件來設(shè)計(jì)行間轉(zhuǎn)移面陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，由示波器測(cè)試各路輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，所顯示的波形與仿真波形一致，得到令人滿意的結(jié)果。因此本文的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案能夠滿足的KAI-0340的性能要求，可以用來驅(qū)動(dòng)行間轉(zhuǎn)移型面陣CCDKAI-0340S。