基于FPGA與的VHDL語言驅(qū)動時序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器的一體化設(shè)計

1 引言

近年來，多通道面陣 CCD相機在氣象觀測、環(huán)境檢測、海洋遙感和資源調(diào)查等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而在 CCD的應(yīng)用技術(shù)中，尤其是高速、多通道 CCD的應(yīng)用中， CCD驅(qū)動時序的產(chǎn)生和信號的實時輸出是兩個非常關(guān)鍵的問題[1]。高速、多通道 CCD器件的驅(qū)動時序通常是一組周期性且關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號，它是影響 CCD器件性能的一個重要因素；而產(chǎn)生的多組像元信號如何正確的轉(zhuǎn)換成一幀完整圖像，也必須根據(jù)實際的硬件要求而采取不同的設(shè)計方案。

本文在分析了 Sarnoff公司的 VCCD512H型幀轉(zhuǎn)移面陣 CCD芯片的特性和工作過程后，結(jié)合整個 CCD相機電子系統(tǒng)的要求，完成了基于 FPGA技術(shù)的驅(qū)動時序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器的一體化設(shè)計，即在一塊 FPGA芯片上實現(xiàn)對時序與數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)的控制。昀后針對 Xilinx公司的 FPGA器件 XQ2V3000對設(shè)計進行了配置及仿真，從而驗證了該設(shè)計方案的可行性。 2 驅(qū)動時序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器一體化設(shè)計原理

2.1 CCD器件結(jié)構(gòu)及工作原理

美國 Sarnoff公司的 VCCD512H是背照型幀轉(zhuǎn)移面陣CCD，它由兩個感光區(qū)、兩個存儲區(qū)和讀出寄存器構(gòu)成。每個感光區(qū)（或存儲區(qū)）包含 8個子陣列，每個子陣列含有 256（行）×64（列）個有效像元，整個像面則由16個子陣列，共 512×512個有效像元構(gòu)成，我們在應(yīng)用中，對像元做了水平方向‘二合一’處理，使得整個像面共由 512x256個有效像元構(gòu)成,昀終 16路信號并行輸出。

電荷移動方向如圖1中箭頭所示，先由感光區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)（A1,A2,A3為幀轉(zhuǎn)移控制信號），再由存儲區(qū)轉(zhuǎn)移到讀出寄存器（B1,B2,B3為行轉(zhuǎn)移控制信號），而后在讀出控制信號（C1,C2,C3為像元轉(zhuǎn)移控制信號）的作用下順序讀出。16個子陣列有各自獨立的讀出寄存器和 CDS放大器。信號的輸出方式是 16個端口并行輸出，送到后續(xù)的模擬、數(shù)字信號處理電路[2]。

2.2 驅(qū)動時序分析

由芯片結(jié)構(gòu)可知，CCD的一個工作周期分兩個階段：感光階段和轉(zhuǎn)移階段。在感光階段，感光陣列接受外界光源照射產(chǎn)生電荷，幀轉(zhuǎn)移控制信號 A不變，感光陣列和幀存儲區(qū)之間為阻斷態(tài)，不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；同時由行轉(zhuǎn)移控制信號 B控制，存儲區(qū)中的電荷逐行轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器；行轉(zhuǎn)移時，像元轉(zhuǎn)移控制信號 C不變，無像元信號輸出；每行信號中，各像元電荷逐次經(jīng)過輸出放大器輸出，每讀出一行信號，進行一次行轉(zhuǎn)移。三相 CCD中，電荷的轉(zhuǎn)移是通過三相控制電壓按一定順序依次變化來實現(xiàn)的。此處，進行電荷轉(zhuǎn)移時，三相控制時序依次變化；三相信號不變時，為阻斷態(tài)。為保證信號電荷的完整轉(zhuǎn)移，各相時序間必須保證一定的電平交疊[3]。

在幀轉(zhuǎn)移階段，幀轉(zhuǎn)移控制信號 A與行轉(zhuǎn)移控制信號 B相同，且一直有效。同時像元控制信號 C也一直有效，但輸出數(shù)據(jù)無效。進入感光階段，首先進行一次行轉(zhuǎn)移，開始信號的輸出，同時感光區(qū)像元進入電荷積累。為保證信號讀出的完整性，整幀轉(zhuǎn)移的行數(shù)、輸出的行數(shù)、像元數(shù)都進行了一定的冗余設(shè)置[4]。

2.3 數(shù)據(jù)緩存器工作原理 如圖 2所示，CCD傳感器為 16路并行輸出，每路為 256×32×12bit,即8192×12 bit，現(xiàn)采用 VHDL硬件描述語言，設(shè)計實現(xiàn)了一種基于片上集成的雙口 RAM緩存器。

本設(shè)計中選用的控制器件FPGA為Xilinx公司XQ2V3000，其片內(nèi)的共有96個雙口 RAM，每個 RAM的深度為16K,而在該系統(tǒng)中為了實現(xiàn)幀緩存的功能，在設(shè)計中采用了兩個雙口 RAM并行連接的方式，從而組合成了 16K×16bit的雙口 RAM緩存單元，共占用 RAM資源34個。雙口 RAM的寫入地址為 14位，由寫入地址發(fā)生器統(tǒng)一提供，與 CCD的驅(qū)動波形相配合 [5]。具體實現(xiàn)時是將雙口RAM 分成上下兩區(qū)（每個緩沖區(qū)共有 64x266個像元），前一幀周期左邊寫上半?yún)^(qū)，右邊讀下半?yún)^(qū)；后一幀周期，左邊寫下半?yún)^(qū)時，右邊讀上半?yún)^(qū)。其寫入過程為:首先由A 、B三相驅(qū)動脈沖（共 266個波形）配合，完成 A->B的電荷轉(zhuǎn)移；然后用 B波形完成兩次 B->C轉(zhuǎn)移（兩行合并），再用 C波形完成72次串出，其中僅有 64個有效（第 3-66像元），其余為過掃描，用于行箝位。這一過程重復(fù) 133次，（前 5次丟棄）。 因為圖像數(shù)據(jù)的讀出要按預(yù)定順序，即 512行從上到下，每行 256個像元從左到右。為此，將 17個雙口 RAM的輸出作為一個整體來考慮，其存儲量為(512×256+128)×12 bit,即131,200×12 bit，需要18 位地址，該讀出地址的形成可以用一個18 位計數(shù)器和一個譯碼器完成 [6]。

如圖 3所示，在幀正程期間，從數(shù)據(jù)緩存讀出 512 × 256 × 12bit的圖像數(shù)據(jù)，在幀逆程期間，緩存器中的輔助數(shù)據(jù)緊隨其后被讀出。

3 一體化設(shè)計的 FPGA實現(xiàn)及仿真結(jié)果

3.1 現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）

系統(tǒng)中采用容量比較大的FPGA，利用 VHDL硬件描述語言完成 CCD驅(qū)動時序的設(shè)計和數(shù)據(jù)的高速讀寫。這種實現(xiàn)方法可以使采集系統(tǒng)靈活、簡單、方便，具有很強的可擴展性，可根據(jù)需要設(shè)計為不同數(shù)據(jù)寬度、不同容量的數(shù)字系統(tǒng)，接口電路簡潔且不占用系統(tǒng)地址資源，系統(tǒng)移植或升級換代方便，而且控制簡單，易于實現(xiàn)[7]。

3.2 時序仿真結(jié)果

在編程軟件 Quartus II集成設(shè)計環(huán)境下，用 VHDL語言以自上而下的方式，對 CCD驅(qū)動時序和數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)進行了描述，仿真后得到部分結(jié)果如下圖所示。

圖 4為在幀轉(zhuǎn)移過程中，通過對時鐘 CLK的計數(shù)而產(chǎn)生了頻率相同、相位不同的A、B驅(qū)動脈沖信號，并且通過后續(xù)的示波器檢測得知電平交疊達到了75％以上，滿足技術(shù)手冊的要求。

圖 5為 RAM選擇地址仿真圖。系統(tǒng)總共有 17個 RAM緩存器，并且把每個 RAM分為了上、下兩個半?yún)^(qū)。設(shè)CEr為 16位用來選擇 RAM的位置，其中高8位為上半?yún)^(qū)，低 8位為下半?yún)^(qū)，并且交替選擇（上半?yún)^(qū)讀出時，下半?yún)^(qū)為寫入，反之亦然）。從昀終的仿真圖中可以看出，時序復(fù)合設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

本文的創(chuàng)新點在于采用了 FPGA技術(shù)設(shè)計 CCD驅(qū)動時序和緩存器電路，使原來復(fù)雜的電路設(shè)計變成只需 1片 FPGA就能完成。同時它能夠很好地滿足 CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化、低功耗發(fā)展的需求，從而提高了系統(tǒng)的集成度。從時序仿真結(jié)果來看，該一體化的設(shè)計能夠較好的產(chǎn)生器件所需的時序脈沖及緩存器所需的讀/寫地址，并且由于使用了延遲量小的 FPGA使得系統(tǒng)可以工作在百兆赫茲的工作頻段，從而增強了電路的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。