基于FPGA的线阵CCD驱动器设计

       1 引言

        CCD(Charge Coupled Devices——电荷耦合器件)具有尺寸小、精度高、功耗低、寿命长及电子自扫描等优点，在图像传感和非接触测量领域得到广泛的应用。由于CCD的转换效率、信噪比等光电特性只有在合适的时序驱动下才能达到设计所规定的最佳值，输出稳定可靠的信号，因此，驱动电路的设计也就成为其应用中的关键问题之一。不同厂家、不同型号CCD器件的驱动时序各不相同，使CCD的驱动电路很难规范化和产品化。笔者设计的基于FPGA的驱动电路是可再编程的，如果要改变驱动电路的时序，增加或减少某些功能，只需对器件重新编程，在不改变任何硬件的情况下可实现驱动电路的更新换代。

        2 CCD工作参数和时序分析

        根据工程项目的技术要求，本系统选用日本TOSHIBA公司的TCDl208AP型电路作为传感器。该器件具有优良的光电特性，有2 160个像元，其驱动信号的时序如图l所示。

       由TCDl208AP的时序图可以看出，TCDl208AP采用二相驱动脉冲工作，时序脉冲驱动电路提供4路工作脉冲，即光积分脉冲SH，电荷转移脉冲φ1、φ2，输出复位脉冲RS。系统提供的主时钟频率CLK为4 MHz，设定数据输出频率为1 MHz。TCDl208AP的典型最佳工作频率为l MHz，该器件具有2160位有效像元，正常工作时要有52个虚设单元输出(DUMMY 0UTPUTS)信号(含暗电流信号)。因为该器件是二列并行传输，所以在一个周期内至少要有1 106(2 212/2=1 106)个φ1脉冲，即TSH>1106Tφ1。另外，由时序图可以看出，当SH信号为高电平期间，CCD积累的信号电荷包通过转移栅进入移位寄存器，移位脉冲φ1、φ2要求保持一个高和低的电平状态。

      3 FPGA器件的选择

       根据设计要求和工程需要，本设计选用Altera公司Cyclone系列产品中的EPlCl2Q240C8型嵌入式可编程逻辑器件。EPlCl2Q240C8采用基于1.5 V、0.13μm及全层铜SRAM工艺，其密度增加至20 060个逻辑元件(LE)，RAM增加至288 KB。它具有用于时钟的锁相环、DDR SDR和快速周期RAM(FCRAM)存储器所需的专用双数据率(DDR)接口，具有在系统可编程特性。其配置方式有被动型和主动型，被动型配置是在上电后由计算机通过编译后产生sof文件利用专用的下载电缆配置电路。主动型配置是在上电后由专门的可编程配置电路(EPCS4)自动对EP1C12Q240C8电路进行配置。

       4 CCD驱动电路设计

        驱动电路的功能是产生保证产生CCD器件正常工作的转移时钟、传输时钟、采样保持时钟、复位时钟、信号处理电路和A/D转换电路所需要的同步脉冲、像元时钟和箝位脉冲。只有驱动脉冲与CCD的良好配合才能充分发挥CCD的光电转换特性，输出稳定可靠的光电信号。