1 引言

科學(xué)級CCD相機（Scientific grade CCD camera）是一種具有低噪聲、高靈敏度、大動態(tài)范圍和高量子效率等優(yōu)良性能的CCD相機，用于對微光信號檢測和微光成像。它在射線數(shù)字成像檢測、生物醫(yī)學(xué)工程、水下攝影、武器裝備、天文觀測、空間對地觀測等多種技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

科學(xué)級CCD相機一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號處理器、時序控制器、時序發(fā)生器、時序驅(qū)動器、外部光學(xué)成像系統(tǒng)等部分組成，其中時序發(fā)生器性能的優(yōu)劣直接決定了相機的品質(zhì)參數(shù)。該科學(xué)級CCD相機采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作為傳感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作過程和對驅(qū)動信號的要求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出合理的時序電路， 為了滿足在實際工作中像移速度異速匹配的要求，在時序電路的設(shè)計中時序發(fā)生部分是可調(diào)的。這種設(shè)計方案簡單、可靠、實用。在綜合比較各種硬件實現(xiàn)電路的優(yōu)缺點后，選用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（FPGA） 作為硬件設(shè)計平臺，使用VHDL 語言對驅(qū)動電路方案進行了硬件描述，采用EDA 軟件對所設(shè)計的時序發(fā)生器成功地進行了功能仿真。最后針對XILINX公司的可編程邏輯器件XC2VP20-FF1152進行了適配和硬件電路調(diào)試，進而實現(xiàn)了對整個科學(xué)級CCD 相機的控制。

2 TDI-CCD的工作原理及驅(qū)動分析

2.1 TDI-CCD工作原理簡介

TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術(shù)。TDI-CCD是具有一種面陣結(jié)構(gòu)、線陣輸出的新型CCD，較普通的線陣CCD而言，它具有多重級數(shù)延時積分的功能。從其結(jié)構(gòu)來看，多個線陣平行排列，像元在線陣方向和級數(shù)方向呈矩形排列，像元分布示意圖如圖1所示。

圖1中，TDI-CCD的電荷累積方向是沿Y向進行的，其推掃級數(shù)自下而上為第1級至第96級。在成像過程中，隨著相機（或景物）的運動，TDI-CCD從第96級至第1級依次感光，電荷從第96級至第1級逐級累積。最終，經(jīng)過多重延時積分積累起來的電荷包（成像數(shù)據(jù)信息）轉(zhuǎn)移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級經(jīng)運算放大器傳輸出去。從TDI-CCD的電性能特點可以看出，TDI-CCD為一種單方向推掃成像器件。與一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可變積分級數(shù)來增加曝光時間。在傳感器成像時，由于信號存儲與曝光時間是成正比的，TDI-CCD通過延長曝光時間來增加所收集到的光子，因此比一般線陣CCD具有更高的靈敏度，可用在低光照度環(huán)境下成像，同時又不會影響掃描速度。TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個突出特點，使其在高速、微光領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景 。

2.2 關(guān)于DALSA IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器

CCD 圖像傳感器是科學(xué)級CCD相機的關(guān)鍵組成部件， 其性能的優(yōu)劣直接影響著相機的功能和使用效果。該科學(xué)級CCD 相機選用了加拿大DALSA 公司生產(chǎn)的IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器，該TDI-CCD的像素結(jié)構(gòu) 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數(shù)據(jù)輸出頻率為20MHz 、動態(tài)范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級數(shù)可選、具有藍光響應(yīng)增強功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個功能區(qū)，即光敏元探測區(qū)、電荷傳輸區(qū)、檢測輸出區(qū)。

2.3 IL-E2型TDI-CCD驅(qū)動時序分析

TDI-CCD的驅(qū)動時序控制比普通線陣CCD的驅(qū)動時序控制要復(fù)雜的多， IL-E2型TDI-CCD的時序控制包括各種直流電平控制和各種時鐘脈沖序列控制。對于前者，主要包括供電電壓VDD、輸出柵電壓VEST、溢出柵電壓VOV、襯底電壓VBB和級數(shù)控制偏置電壓等；對于后者，主要包括行轉(zhuǎn)移時鐘脈沖TCK，像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2，輸出復(fù)位時鐘脈沖RST，TDI方向移位寄存器驅(qū)動時鐘脈沖CI1～CI4，級數(shù)控制時鐘脈沖CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作時，在行轉(zhuǎn)移時鐘脈沖TCK為高電平期間，像元感光產(chǎn)生的信號電荷在TDI方向移位寄存器驅(qū)動時鐘脈沖CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿著TDI（TDI級數(shù)由TDI級數(shù)控制脈沖選為6、12、24、48、96中的一種）方向積累并轉(zhuǎn)移到輸出移位寄存器中；當(dāng)TCK為低電平時，TDI-CCD在像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2的作用下，輸出復(fù)位時鐘脈沖RST每來一個有效電平高電平時，TDI-CCD的輸出信號OS端輸出一個信號，直到信號輸出完為止。之后TCK由低電平變?yōu)楦唠娖剑珻I1、CI2、CI3、CI4也相應(yīng)的變?yōu)橛行щ娖?，轉(zhuǎn)移上一次轉(zhuǎn)移完后像元感光產(chǎn)生的信號電荷，開始一個新的周期。這些時序控制的詳細對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

對于此TDI-CCD時序設(shè)計與普通線陣CCD時序設(shè)計存在以下幾個突出特點。（1）在TDI方向存在4相移位寄存器驅(qū)動時鐘，它們的周期與行周期一致，高電平脈寬t3應(yīng)大于3μs， CI1的上升沿滯后于TCK的上升沿，CI2的下降沿滯后于TCK的下降沿，CI1、CI2的高電平脈寬至少有1μs的重疊。CI3、CI4在時序關(guān)系上分別為CI1、CI2的倒相。（2）此TDI-CCD的工作級數(shù)可以通過CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四個級數(shù)選擇信號進行控制，使其工作于96、48、24、12和6級。

3 時序發(fā)生器的原理組成和工作過程分析

時序發(fā)生器產(chǎn)生TDI-CCD、視頻處理器和圖像數(shù)據(jù)輸出所需的各種時鐘脈沖信號， 時序發(fā)生器在CCD成像單元工作中起著時間上同步協(xié)調(diào)的作用。它由時序控制器給出的指令和參數(shù)予以控制。時序控制器控制TDI-CCD工作時的行轉(zhuǎn)移周期， 積分級數(shù)，控制指令和參數(shù)以串行數(shù)據(jù)的形式送至?xí)r序控制器中，時序發(fā)生器根據(jù)時序控制器給出的指令和數(shù)據(jù)產(chǎn)生TDI-CCD和視頻處理器所需要的時鐘脈沖信號： 行轉(zhuǎn)移時鐘脈沖、像元移位讀出時鐘脈沖、輸出復(fù)位時鐘脈沖、TDI方向移位寄存器驅(qū)動時鐘脈沖、級數(shù)控制時鐘脈沖、相關(guān)雙采樣時鐘脈沖、A/D轉(zhuǎn)換器采樣時鐘脈沖等。為了提高工作時的可靠性， 在時序控制器中控制指令和參數(shù)沒有更新時， 時序發(fā)生器將按時序控制器中初始設(shè)置參數(shù)工作。

時序發(fā)生器的設(shè)計：時序發(fā)生器生成TDI-CCD、視頻處理器和圖像數(shù)據(jù)輸出所需要的各種時序。所有時序是由主振脈沖序列通過逐級分頻后的脈沖序列進行邏輯和組合運算產(chǎn)生的。它們之間滿足嚴(yán)格的相位關(guān)系， 這是相機系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的基礎(chǔ)。時序發(fā)生器的功能框圖如圖3所示。相機系統(tǒng)一通電就應(yīng)保證立即工作在內(nèi)部默認方式， 這樣就能夠馬上判斷系統(tǒng)是否正常。如果外部或內(nèi)部設(shè)置指令無效， 系統(tǒng)也返回默認方式， 這是相機系統(tǒng)可靠性的體現(xiàn)。時序發(fā)生器所產(chǎn)生的各種時鐘由VHDL 語言完成。

4 用 FPGA器件實現(xiàn)科學(xué)級CCD相機時序發(fā)生器

4.1 FPGA技術(shù)及FPGA器件

FPGA－現(xiàn)場可編程門陣列技術(shù)是二十年前出現(xiàn)，而在近幾年快速發(fā)展的可編程邏輯器件技術(shù)。這種基于EDA技術(shù)的芯片正在成為電子系統(tǒng)設(shè)計的主流。大規(guī)模可編程邏輯器件FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的可編程專用集成電路（ASIC）。設(shè)計人員利用它可以在辦公室或?qū)嶒炇依镌O(shè)計出所需的專用集成電路，從而大大縮短了產(chǎn)品上市時間，降低了開發(fā)成本。此外，F(xiàn)PGA還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。因此，F(xiàn)PGA技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。

XC2VP20-FF1152 是Xilinx 公司推出的Virtex-II Pro 系列的FPGA，它內(nèi)部有豐富的資源［5］，包括8 個數(shù)字時鐘管理器（DCM），290Kbits 的分布RAM，88×16kByte 的Block RAM，88 個18×18 的專用乘法器（Dedicated Multipliers）單元，2 個PowerPC405 內(nèi)核，564 個可配置I/O 引腳達（最多276 對差分I/O，速度高達3.125Gbps），最高內(nèi)部工作頻率420MHz。

4.2 基于FPGA的科學(xué)級CCD相機時序發(fā)生器的設(shè)計與仿真

IL-E2型TDI-CCD的像元數(shù)有每行512，1024和2048三種，本文以2048像元數(shù)為例設(shè)計時序電路。2048為有效像元數(shù)，由于每行有5個隔離像元，4個暗參考像元，故設(shè)計中要保證最少使每行輸出2057個像元，也就是使每個行周期內(nèi)最少有2057個CR1、CR2、RST驅(qū)動脈沖。每行除了2057個像元驅(qū)動脈沖以外，其余為空驅(qū)動脈沖?？镇?qū)動脈沖數(shù)越多，行周期時間越長，CCD曝光積分時間越長，靈敏度相應(yīng)提高，但過長的曝光積分時間會使CCD輸出飽和失真，故空驅(qū)動脈沖數(shù)目不易過多。積分時間和像元移位讀出時鐘頻率是CCD時序電路的設(shè)計依據(jù)。在工程應(yīng)用中，我們根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，算出行積分時間即行周期（T）為0.365ms，以此確定合適的系統(tǒng)主時鐘。驅(qū)動時序用超高速集成電路硬件描述語言（VHDL）編寫，程序主要包括：（1）調(diào)用所需的庫函數(shù)和程序包；（2）定義輸入和輸出端口；（3）用計數(shù)器對輸入的系統(tǒng)主時鐘進行分頻。（4）驅(qū)動時序信號的產(chǎn)生和輸出。由XILINX公司的設(shè)計軟件ISE6.2對XC2VP20-FF1152器件進行時序設(shè)計，通過時序仿真與工程應(yīng)用驗證了能完成上述所有功能。系統(tǒng)邏輯功能時序仿真波形如圖4所示。

5 結(jié)束語

本文的創(chuàng)新是采用FPGA 器件設(shè)計科學(xué)級CCD相機時序發(fā)生器， 使得電路由原來復(fù)雜的設(shè)計變成主要只用一片XILINX公司的可編程器件XC2VP20-FF1152來實現(xiàn)。獨立的單元測試與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果均表明： 采用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA） 技術(shù)實現(xiàn)CCD相機時序發(fā)生器， 可使電路成倍簡化，提高了系統(tǒng)的集成度，時序發(fā)生器抗干擾能力也增強了，其功耗也成倍降低，從而實現(xiàn)了科學(xué)級CCD 相機工作時的高可靠性、穩(wěn)定性，同時還使設(shè)計與調(diào)試周期成倍縮短。該設(shè)計方案為TDI-CCD在科學(xué)級CCD相機中的應(yīng)用開拓了更加廣闊的前景。

責(zé)任編輯：gt