基于FPGA的線陣CCD驅(qū)動時序電路的設(shè)計

O 引 言
電荷耦合器件(Charge Coupled Deviees，CCD)是一種圖像傳感器，它在工業(yè)、計算機圖像處理、軍事等方面都得到廣泛的應(yīng)用。目前CCD的應(yīng)用技術(shù)已成為集光學(xué)、電子學(xué)、精密機械與計算機技術(shù)為一體的綜合技術(shù)，在現(xiàn)代光子學(xué)、光電檢測技術(shù)和現(xiàn)代測試技術(shù)領(lǐng)域中起到了相當(dāng)大的作用。因此，CCD的作用是不可估量的。然而，CCD要正常工作是要驅(qū)動時序的，雖然有些CCD往往自帶驅(qū)動，但是在特殊需要或需要加特殊功能時，CCD驅(qū)動往往需要自己設(shè)計，例如曝光時間可調(diào)等功能。
現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmahie Gate Array，FPGA)是在PAL，GAL，EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。
由于FPGA具有易修改，在線編程等特點，可根據(jù)不同要求進行在線配置，從而升級方便。另外由于FPGA集成度高，可將系統(tǒng)的部分或全部功能集成在一片芯片上，可減小系統(tǒng)硬件復(fù)雜度。

2 CCD工作原理和特性參數(shù)
TCDl500C是一種高靈敏度、低暗電流、5 340像元的線陣CCD圖像傳感器，其像敏單元大小是7μm×7μm×7μm；相鄰像元中心距也是7μm；像元總長是37．38 mm。其驅(qū)動時序圖如圖1所示。TCDl500C在驅(qū)動脈沖作用下開始工作。

由圖1可知，CCD的一個工作周期分為兩個階段：光積分階段和電荷轉(zhuǎn)移階段。在光積分階段，SH為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。存儲柵和模擬移位寄存器分別工作，存儲柵進行光積分，模擬移位寄存器則在驅(qū)動脈沖的作用下串行地向輸出端轉(zhuǎn)移信號電荷，再由SP進行采樣和保持，最后由0S端分別輸出。RS信號清除寄存器中的殘余電荷。在電荷轉(zhuǎn)移階段SH為高電平，存儲柵和模擬移位寄存器之間導(dǎo)通，實現(xiàn)感光陣列光積分所得的光生電荷勢阱中，此時，輸出脈沖停止工作，輸出端沒有有效電荷輸出。由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS先輸出13個虛設(shè)像元信號，再輸出45個啞元像元，然后再輸出5 340個有效像元信號，之后再是12個啞元信號，輸出1個奇偶檢測信號，以后便是空驅(qū)動(空驅(qū)動的數(shù)目可以是任意的)。

2 芯片的選擇以及設(shè)計平臺概述
FPGA選擇的是ALTERA公司的FLEXl0K系列的EPFllOKlOLC84一4，他是一款典型在線可編程FPGA器件。
設(shè)計選擇的平臺主要是Modelsire。Modelsim仿真工具是Model公司開發(fā)的，它支持Verilog DHL，VHDL以及他們的混合仿真，可以將整個程序分布執(zhí)行，使設(shè)計者直接看到它的程序下一步要執(zhí)行的語句，而且在程序執(zhí)行的任何步驟任何時刻都可以查看任意變量的當(dāng)前值，可以在Dataflow窗口查看某一單元或模塊的輸入輸出的連續(xù)變化等，比Quartus自帶的仿真器功能強大的多，是目前業(yè)界最通用的仿真器之一。仿真都正確無誤后再用QuartusⅡ軟件來綜合和下片。本程序采用Verilog硬件描述語言編寫，其可移植性和可讀性都好。