怎樣通過CPLD技術(shù)設(shè)計CCD相機圖像信號模擬器

1 引言

多年來CCD 器件以體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點以及在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實時傳輸、自掃描等特性，廣泛地應(yīng)用于攝像器材、氣象、航天航空、軍事、醫(yī)療以及工業(yè)檢測等眾多領(lǐng)域。

在對某多通道高速CCD相機輸出圖像信號的采集系統(tǒng)設(shè)計過程當中，我們需要對此系統(tǒng)在正式使用之前進行調(diào)試，來測試它能否正常工作。本文利用CPLD和LVDS嚴格對CCD相機的輸出接口進行了模擬，并且以LVDS方式輸出圖像信號。

2 相機系統(tǒng)輸出接口信號及Camera link 接口

此CCD 相機最終的輸出信號符合camera link 接口標準，每個通道輸出3072個像元后，接著輸出1024個零電平像元，數(shù)據(jù)采用LVDS差分輸出，每通道的輸出信號包括：控制信號：像元時鐘DCLK，行同步信號LVAL和外觸發(fā)信號DTRG；數(shù)字圖像信號（8位并行輸出）DATA。各信號波形大致如圖1 所示：

圖1

· DCLK像元時鐘頻率為31MHz，由62MHz晶振產(chǎn)生后二分頻得到。以LVDS信號輸出。

·&nb

sp; 行同步信號LVAL在輸出3072個像元和1024個零電平像元時，LVAL為低電平，在兩個有效行中間會跳變幾個無效的像素點，跳變無效像素點時，LVAL為高電平。跳過的像素點的數(shù)目未定，初步設(shè)為固定4個像素。以LVDS信號輸出。

· 外觸發(fā)信號DTRG是用來觸發(fā)采集卡的工作，它與LVAL信號下降沿對齊，高電平寬度為像元時鐘一個周期的寬度。

為提高傳輸效率以及降低傳輸成本，CCD相機將以上圖像信號按Camera Link 標準轉(zhuǎn)換成低電平差分信號（LVDS）輸出。系統(tǒng)采用與CCD 相機相匹配的National semiconductor芯片組DS90C031W/ML 來完成TTL電平信號和LDVS信號之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換接口芯片如圖2 所示，一個接口轉(zhuǎn)換芯片可以將4個信號轉(zhuǎn)換成4對符合TIA/EIA-644 標準的LVDS 數(shù)據(jù)流。另外還有兩個使能端，在工作時，EN接低電平， 接高電平。此芯片的最大傳輸速度可達77.7MHz，供電電壓為+5V，符合系統(tǒng)需要。最后輸出信號接到圖像采集系統(tǒng)的輸入端。在本文的設(shè)計當中，只用到驅(qū)動芯片，接收芯片放在圖像采集系統(tǒng)電路中。

3硬件結(jié)構(gòu)

本設(shè)計的硬件電路主要由三部分組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。包括晶振電路、

CPLD、輸出接口（9片DS90C031）。整個電路的核心部分是CPLD，采用ALTERA公司的MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15芯片。它除了產(chǎn)生控制信號外，還要模擬一個灰度圖象的數(shù)據(jù)源。62MHz晶振用來產(chǎn)生CPLD工作所需要的時鐘。DSC90C031用來把CPLD產(chǎn)生的圖像信號和控制信號（TTL信號）轉(zhuǎn)化成LVDS信號，并輸出。其中每兩片能產(chǎn)生一個通道的8位的圖像輸出信號，共有4個通道，第9片用來轉(zhuǎn)換控制信號并輸出。

在電路設(shè)計過程中，為了提高系統(tǒng)的可靠性，要注意以下問題：1、CPLD器件的每個供電電壓管腳都要外接0.1μ電容來進行濾波。CPLD輸出信號也要進行濾波之后再接到DSC90C031。2、在輸出端，要使用終端電阻實現(xiàn)對差分傳輸線的最大匹配，阻值一般在90——130?之間，系統(tǒng)也需要此終端電阻來產(chǎn)生正常工作的差分電壓。必要時也可使用2個阻值各為50?的電阻，并在中間通過一個電容接地，以濾去共模噪聲。

4 CPLD程序設(shè)計

因為考慮到設(shè)計后期還要在CPLD前端加單片機對圖像信號的變化進行各種控制，所以要用到大約50個I/O口的操作，所以選用了ALTERA公司的MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15芯片，該芯片共有84個引腳，內(nèi)部集成了6000門，其中典型可用門為2500個，有128個邏輯單元，60個可用I/O口，可單獨配置為輸入、輸出及雙向工作方式，2個全局時鐘及一個全局使能端和一個全局清除端。它支持多電壓工作，其傳輸延時為7.5ns，最高工作頻率高達125MHz。我們采用ALTERA公司的第三代開發(fā)軟件Max plus II進行仿真、綜合和下載。

整個程序分三個模塊：u1，u2，u3，其中u1是分頻模塊，用4輸出計數(shù)器對輸入的62M主時鐘（mclk）進行2分頻，u2是圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊，用8位的計數(shù)器來產(chǎn)生灰度圖象數(shù)據(jù)。u3模塊是利用13位的計數(shù)器來產(chǎn)生控制信號，嚴格按照要求的時序關(guān)系，分別產(chǎn)生像元時鐘（DCLK）、行同步信號（LVAL）、外觸發(fā)信號（DTRG）。部分源程序如下：

begin

u1:fenpin port map(mclk,clr0,set,clk); //引用分頻模塊

u2:count8 port map(clk,clr1,set,countout8);//引用8位計數(shù)器

u3:count13 port map (clk,clr2,set,countout13);//引用13位計數(shù)器

set<='1';

clr1<='0';

dclk<=clk;

process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1')then

if (countout13>=4096 and countout13<=4099)then

lval<='1';

data<=countout8;

else

lval<='0';

end if;

if(countout13=4099)then

dtrg<='1';

clr2<='1';

else

dtrg<='0';

clr2<='0';

end if;

if(countout13>=0 and countout13<=3071)then

data<=countout8;//輸出有效像元

end if;

if (countout13>=3072 and countout13<=4095)then

data<=0;//輸出零像元

end if;

end if;

end process;

end rtl;

時序仿真圖如下圖所示：

5總結(jié)

編譯仿真通過后，在頂層用原理圖進行綜合實現(xiàn)，然后燒入芯片進行實驗，并根據(jù)實際運行情況，對設(shè)計進行改進。如根據(jù)實際器件的延時特性，在設(shè)計中某些地方插入適當?shù)难舆t單元以保證各時延一致。

根據(jù)本文介紹的設(shè)計方案，采用CPLD技術(shù)設(shè)計的多路CCD圖像信號模擬器結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便，易于修改。在圖像采集卡的測試過程中，發(fā)揮了重要作用。