使用FPGA設(shè)計(jì)CCD驅(qū)動(dòng)傳輸電路的資料說(shuō)明

　　電荷耦合器件CCD是一種圖像傳感器，作為CCD工業(yè)相機(jī)的核心部件，被廣泛應(yīng)用于非接觸測(cè)量。許多的光學(xué)實(shí)驗(yàn)都需要使用到CCD工業(yè)相機(jī)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，我們提出了兩個(gè)問(wèn)題，分別是能否使用普通CCD芯片設(shè)計(jì)出高幀頻的成像系統(tǒng)，以及能否實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CCD相機(jī)的同步采集。CCD工業(yè)相機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)在于CCD驅(qū)動(dòng)傳輸電路的設(shè)計(jì)，為了在實(shí)踐中解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文對(duì)CCD芯片的驅(qū)動(dòng)脈沖和時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的分析，設(shè)計(jì)出了基于FPGA的CCD驅(qū)動(dòng)傳輸電路。

　　驅(qū)動(dòng)CCD芯片的方法有很多，主要可以通過(guò)數(shù)字電路、單片機(jī)、專用IC、DSP、可編程邏輯器件對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。采用數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)，調(diào)試難度大，不適合應(yīng)用于大面陣CCD。單片機(jī)雖然靈活性好，但驅(qū)動(dòng)頻率較低，不能滿足本設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)頻率較高的CCD芯片的需求。專用IC芯片雖然集成度高、調(diào)試方便，但靈活性不好，也不利于后端傳輸電路的設(shè)計(jì)。DSP主要偏重于大量的數(shù)字信號(hào)處理，成本高，而本設(shè)計(jì)則偏重于邏輯時(shí)序設(shè)計(jì)，數(shù)字信號(hào)處理不多。雖然可編程邏輯器件開(kāi)發(fā)難度大，但可以在線編程，程序易于修改，系統(tǒng)集成度高，驅(qū)動(dòng)頻率高，是最符合本設(shè)計(jì)需求的?？删幊踢壿嬈骷饕?a target='_blank' class='arckwlink_none'>CPLD和FPGA，CPLD更適合完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA更適合完成時(shí)序邏輯。而且相比于CPLD，F(xiàn)PGA的規(guī)模更大，功能也更強(qiáng)，在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移和存儲(chǔ)方面更有優(yōu)勢(shì)，有利于后端的數(shù)據(jù)采集及傳輸，為以后系統(tǒng)的升級(jí)提供了更有利的空間。因此，本設(shè)計(jì)采用FPGA作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。由于Altera公司的CycloneⅡ系列芯片主要應(yīng)用于邏輯設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào)處理，是一類中性能、低成本的芯片，并從本設(shè)計(jì)中所需I/O口數(shù)量和邏輯單元數(shù)量來(lái)考慮，最終選擇該系列的EP2C8Q208C8芯片。

　　本文以解決上述兩個(gè)問(wèn)題為前提，用FPGA作為控制中心，設(shè)計(jì)出了面陣CCD驅(qū)動(dòng)傳輸電路，包括前端的CCD驅(qū)動(dòng)電路和后端的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸電路，后端由A/D轉(zhuǎn)換模塊、SDRAM緩存模塊和USB接口模塊組成。本文的CCD芯片采用的是SONY公司的面陣黑白CCD圖像傳感器ICX205AL，A/D轉(zhuǎn)換芯片采用的是美國(guó)ADI公司的面向CCD的低功耗單通道模擬信號(hào)處理器AD9824，SDRAM芯片采用的是Hynix公司的容量為128Mbit的存儲(chǔ)器HY57V281620ETP-H，USB接口芯片采用的是Cypress公司的支持USB2.0協(xié)議的芯片CY7C68013A。在QuartusⅡ開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，使用Verilog硬件描述語(yǔ)言對(duì)各時(shí)序電路進(jìn)行硬件描述。本文主要完成了前端CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路的設(shè)計(jì)，完成了后端A/D轉(zhuǎn)換電路的時(shí)序設(shè)計(jì)、緩存器SDRAM的讀寫時(shí)序設(shè)計(jì)、USB與FPGA通信的時(shí)序設(shè)計(jì)以及USB的固件程序設(shè)計(jì)，并完成了整個(gè)系統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)。仿真和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，所有的時(shí)序信號(hào)均滿足設(shè)計(jì)要求。

　　經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)超頻技術(shù)來(lái)提高幀轉(zhuǎn)移頻率，從而提升成像系統(tǒng)的速度;以及可以通過(guò)改變CCD的驅(qū)動(dòng)時(shí)序來(lái)提高系統(tǒng)的成像速度。但是，對(duì)于可超頻的范圍還需要進(jìn)一步通過(guò)實(shí)際測(cè)試才能獲知。如何實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CCD相機(jī)的同步采集還需要作進(jìn)一步的研究。