基于CPLD的全幀型CCD圖像傳感器驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電荷耦合器件((2harge Coupled Devices，CCD)是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型半導(dǎo)體集成光電器件。作為一種新型的MOS器件，與普通MOS器件相比，具有集成度更高、功耗更低、設(shè)計(jì)更簡單、制造工序更少等優(yōu)點(diǎn)。隨著航天技術(shù)的發(fā)展，在航天器高姿態(tài)和高準(zhǔn)確度測量、空間遙感和對地觀測等領(lǐng)域中，性能優(yōu)越的CCD相機(jī)越來越多地得到了應(yīng)用。

在此，將CCD應(yīng)用于數(shù)字航測相機(jī)中。數(shù)字航測相機(jī)是基于數(shù)字相機(jī)的基本原理，將圖像以數(shù)字信息的形式存儲、轉(zhuǎn)移，并與地面實(shí)現(xiàn)通信。CCD圖像傳感器是相機(jī)的眼睛，它對相機(jī)的性能起到非常關(guān)鍵的作用，因此，實(shí)現(xiàn)電子掃描功能的CCD驅(qū)動電路是數(shù)字航測相機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

DALSA公司的FTF4052M 22M Full-Frame型CCD是一款全幀型CCD圖像傳感器。這里在分析該器件的工作過程中，以及對驅(qū)動信號的要求后，采用了基于可編程邏輯器件(CPLD)技術(shù)，將CCD驅(qū)動電路集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了CCD圖像傳感器的驅(qū)動電路，并且結(jié)合Altera公司的EPM7160SLC84-10完成了硬件電路的設(shè)計(jì)。

1?全幀型CCD驅(qū)動時(shí)序發(fā)生器原理

1.1 FTF4052M芯片介紹

FTF4052M是22兆像素(4 008 pixel×5 334 pixel)的超大分辨率全幀CCD圖像傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其主要特性如下：
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(1)36 mm×48 mm的光敏面；
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(2)優(yōu)異的抗光暈性能；
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(3)22兆有效像素(8H×5 344 V)；
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(4)可實(shí)現(xiàn)垂直子采樣；
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(5)高的線性動態(tài)范圍(>72 dB)；
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(6)數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)27 MHz；
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(7)可實(shí)現(xiàn)單路，雙路和四路同時(shí)輸出。

該芯片在結(jié)構(gòu)上分為3部分，中間最大的區(qū)域?yàn)楣饷魠^(qū)，即光積分區(qū)域；上下兩部分為兩個(gè)輸出寄存器。將光積分生成的電荷水平轉(zhuǎn)移到4個(gè)角的輸出放大器，輸出放大器將光生電荷形成的電壓信號放大并轉(zhuǎn)移出CCD。

C1，C2，C3為水平像素轉(zhuǎn)移寄存器的時(shí)鐘信號。A1，A2，A3，A4為垂直行驅(qū)動時(shí)鐘信號。TG是光敏區(qū)與輸出寄存器之間的隔柵；OG是輸出柵；SG是輸出柵之前的最后一個(gè)柵；RG是輸出放大器。該芯片的最大特點(diǎn)是將光敏區(qū)生成的圖像分成W，X，Y，Z四個(gè)對稱的象限，每個(gè)象限的電荷可以以不同的方向轉(zhuǎn)移，通過四個(gè)輸出端同時(shí)輸出，有效地提高了幀速率，單端輸出的幀速率為1幀／s，而四端同時(shí)輸出就可以達(dá)到3.6幀／s。

1.2 幀轉(zhuǎn)移時(shí)序分析

CCD的整個(gè)幀轉(zhuǎn)移時(shí)序如圖2所示，主要分為3個(gè)階段，而且這三個(gè)階段是周期進(jìn)行的。在此，把空閑模式階段定義為第一階段，在CCD芯片空閑模式下，A時(shí)鐘信號全部保持低電平。空閑模式后，CCD芯片開始進(jìn)入第二階段，即光積分階段。


如圖2所示，SSC為系統(tǒng)內(nèi)部基準(zhǔn)時(shí)鐘信號，用于校準(zhǔn)整個(gè)CCD的時(shí)序。VA high是控制四相A時(shí)鐘的高低電平轉(zhuǎn)換信號；TG信號的相位和頻率與A1完全一致。由于CCD芯片F(xiàn)TF4052M屬于全幀CCD芯片，光敏面占CCD面積的大部分，為了得到100％的無污染點(diǎn)圖像，必須加上機(jī)械快門。它的開啟由Trig-in信號完成。當(dāng)Trig-in信號上升沿到來時(shí)，觸發(fā)快門使之進(jìn)行開啟動作，CCD準(zhǔn)備進(jìn)行光積分。在Trig-in信號上升沿之后，當(dāng)基準(zhǔn)時(shí)鐘信號SSC的第一個(gè)上升沿到來時(shí)，產(chǎn)生脈沖寬度為190.6 ps的信號CR，用于對CCD進(jìn)行初始化。當(dāng)CR脈沖到下降沿時(shí)，快門徹底打開，CCD正式進(jìn)入光積分階段。A1繼續(xù)保持低電平；A2，A3，A4上升為高電平。因?yàn)镃CD芯片中的每個(gè)像素都可以看作是由四個(gè)柵極(每個(gè)柵極連接一相時(shí)鐘信號)“覆蓋”的，而且像素之間必須分離開，水平方向上可以通過溝道隔離像素。為了將像素與像素在垂直方向上隔離開，必須將四個(gè)柵極中的某一個(gè)柵極電壓變?yōu)榱?。在該系統(tǒng)應(yīng)用中，將A1保持低電平，以起到像素隔離的作用。然而光生電荷在保持高電平的A2，A3，A4柵極下積聚起來，形成信號電荷包。

光積分結(jié)束后進(jìn)人第三階段，即幀轉(zhuǎn)移階段，而幀轉(zhuǎn)移又可以看成是垂直行轉(zhuǎn)移和水平像素轉(zhuǎn)移交替進(jìn)行的，它們之間的轉(zhuǎn)換通過SSC電平的高低轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。

SSC上升沿的到來標(biāo)志著一次水平像素轉(zhuǎn)移的結(jié)束和一次垂直行轉(zhuǎn)移的開始，CCD像素垂直方向的行轉(zhuǎn)移是由A1，A2，A3，A4等時(shí)鐘及像素傳輸門TG時(shí)鐘來完成的，其頻率都為50 kHz，且四相A時(shí)鐘信號要滿足嚴(yán)格的交迭原理。在SSC保持高電平時(shí)，如圖3所示，光敏區(qū)里已經(jīng)生成的電荷包在四相A時(shí)鐘信號的驅(qū)動下逐行地向上和向下轉(zhuǎn)移到輸出寄存器。


SSC下降沿到來時(shí)，標(biāo)志著一次垂直行轉(zhuǎn)移的結(jié)束和一次水平像素轉(zhuǎn)移的開始，CCD像素水平方向像素的轉(zhuǎn)移是由C1，C2，C3等時(shí)鐘來完成的，信號頻率都為25 MHz。其轉(zhuǎn)移原理與垂直行轉(zhuǎn)移原理一樣，三相C時(shí)鐘信號亦要嚴(yán)格滿足三相交迭原理。如圖4所示，輸出寄存器就是在三相C時(shí)鐘信號的驅(qū)動下將這一行逐個(gè)像素向輸出放大器轉(zhuǎn)移的。


RG(Reset Gate)是通過復(fù)位管對輸出放大器的浮置擴(kuò)散電容(Floating Diffusion Capacitance，F(xiàn)D)進(jìn)行復(fù)位的信號，其中FD可以將接收到的電荷包轉(zhuǎn)換為電壓信號。復(fù)位后FD可以接收下一個(gè)電荷包。SG(Summing Gate)是在輸出柵OG之前的最后一個(gè)柵，SG信號和RG信號的相位與C3信號的相位相同。一行電荷包經(jīng)過輸出放大器的轉(zhuǎn)換和放大后，以電壓信號的形式從CCD輸出。接下來再進(jìn)行下一行的垂直行轉(zhuǎn)移和水平像素轉(zhuǎn)移輸出，直到將光敏面上的所有5 356行電荷包輸出完畢為止。由此可見，整個(gè)一幀圖像是在A時(shí)鐘信號和C時(shí)鐘信號的交替驅(qū)動下從CCD芯片的輸出放大器輸出而完成幀轉(zhuǎn)移的。

2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著大規(guī)模可編程器件的迅速發(fā)展和廣泛使用，傳統(tǒng)的通過TTL標(biāo)準(zhǔn)電路構(gòu)成的積木式電路系統(tǒng)已經(jīng)慢慢被淘汰。目前較為流行的CCD驅(qū)動電路設(shè)計(jì)方案一般有兩種：一是用FPGA或者是CPLD產(chǎn)生CCD的時(shí)序驅(qū)動信號，以及用模擬電路(功率放大晶體管和電位器)實(shí)現(xiàn)對CCD的直流電平驅(qū)動信號；另一種則是用專用的CCD驅(qū)動芯片，實(shí)現(xiàn)對CCD的驅(qū)動。前者要求開發(fā)者對硬件描述語言熟悉，而且實(shí)現(xiàn)靈活，集成度高，方便功能的升級和擴(kuò)展；后者則只需對寄存器進(jìn)行設(shè)置，編程較為簡單，但是可擴(kuò)展性稍差。在此，采用Altera公司EPM7160SLC 84-10型可編程邏輯器件(CPLD)，使用Altera公司的QuartusⅡ集成開發(fā)環(huán)境，并通過與微機(jī)相連的下載線實(shí)現(xiàn)CPLD的燒寫和在線編程。頂層的設(shè)計(jì)采用原理圖輸入，設(shè)計(jì)出各個(gè)功能模塊，然后再使用硬件描述語言(VHDL)對各個(gè)功能模塊編程的自上而下的開發(fā)方法，實(shí)現(xiàn)了高層次復(fù)雜邏輯的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)的軟件化。

通過對該CCD芯片的了解，將頂層設(shè)計(jì)分為3個(gè)功能模塊，分別為倍頻模塊(模塊1)、光積分時(shí)間控制及快門控制模塊(模塊2)、幀轉(zhuǎn)移模塊(模塊3)，各功能模塊的關(guān)系如圖5所示。模塊1為倍頻模塊，通過調(diào)用該模塊，可產(chǎn)生幀轉(zhuǎn)移所需的頻率脈沖信號。由于CPLD芯片一般不帶有PLL模塊，故可采用延時(shí)加異或的方式來實(shí)現(xiàn)倍頻。不過目前較新的CPLD，如Lattice的MachXo系列器件則可直接調(diào)用PLL，此處不再贅述。模塊2為光積分時(shí)間及快門控制，通過拍照指令產(chǎn)生CR脈沖信號，對CCD進(jìn)行初始化，并生成一個(gè)在光積分期間保持高電平的使能信號ENA。將ENA分別發(fā)送至模塊1和模塊3。CR信號和ENA可通過對按鍵信號Trig-in的延遲處理來實(shí)現(xiàn)，也較為簡單。該設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是幀轉(zhuǎn)移模塊。其原理主要是利用3個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行相互嵌套，從而產(chǎn)生所需的驅(qū)動信號，其簡易流程如圖6所示。

首先由CLK時(shí)鐘產(chǎn)生模6計(jì)數(shù)器sell、模4764計(jì)數(shù)器sel2和模6計(jì)數(shù)器sel3。由于setl和sel2相互作用，當(dāng)滿足ENA=1且sel2≥683(由圖3可得出)時(shí)，則相應(yīng)可產(chǎn)生C1，C2，C3信號值，否則全部賦為0。而A1，A2，A3，A4則是在SEL2和SEL3的共同作用下，將主時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻后作為時(shí)鐘，在滿足圖6中所羅列的條件后，根據(jù)SEL2值的變化即可給出A1～A4的值。

采用這種模塊化的設(shè)計(jì)，其光積分時(shí)間、行轉(zhuǎn)移頻率和像轉(zhuǎn)移頻率、行轉(zhuǎn)移數(shù)和每行像素轉(zhuǎn)移數(shù)均可調(diào)整，程序的移植性較好，可適用于不同的需要，而且也方便調(diào)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對程序進(jìn)行系統(tǒng)仿真后的時(shí)序圖如圖7所示?？煽闯鲈摃r(shí)序符合CCD芯片的datasheet要求。將編譯好的程序下載到CPLD中，通過示波器可以得到所需的驅(qū)動信號，如圖8所示。


在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然軟件仿真中各個(gè)驅(qū)動信號能夠嚴(yán)格符合CCD4052M要求的時(shí)序關(guān)系，但是實(shí)際輸出到CCD信號的驅(qū)動信號卻仍然有不同程度的延時(shí)。這主要是由兩方面的原因引起的。首先，由于在設(shè)計(jì)初期采用的是集成開發(fā)環(huán)境下行為級的仿真功能，仿真過程不包括延時(shí)信息，只為驗(yàn)證代碼行為的正確性，可以做到與器件無關(guān)，所以CPLD的輸出會與仿真結(jié)果有所差異；其次，CCD驅(qū)動信號由CPLD產(chǎn)生后，需要經(jīng)過后續(xù)的模擬驅(qū)動電路，由于電子器件本身的特性和差異，造成了抵達(dá)CCD管腳的驅(qū)動信號具有不同的延時(shí)。其中，第一種誤差可以通過進(jìn)行集成開發(fā)環(huán)境下的時(shí)序級仿真解決。這種仿真為設(shè)計(jì)的每一個(gè)底層器件加入了延時(shí)信息，可以模擬到比較接近實(shí)際電路的行為。第二種誤差因電子器件本身造成的，存在個(gè)體性差異，無法進(jìn)行精確的計(jì)算。解決方法是在電路設(shè)計(jì)中加入延時(shí)芯片，通過實(shí)際測量，設(shè)定不同延時(shí)芯片的延時(shí)，校正各個(gè)驅(qū)動信號間的誤差。

4 結(jié)語

該CCD驅(qū)動系統(tǒng)采用CPLD芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有性能好，功耗低，體積小的特點(diǎn)。該驅(qū)動電路的研制結(jié)果表明，采用CPLD專用集成芯片進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)有它自身的優(yōu)點(diǎn)，可以簡化設(shè)計(jì)，并且調(diào)試簡單，可擴(kuò)展性也比較強(qiáng)。