摘   要： 在分析TOSHIBA公司的TCD1702C型線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上,，結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列FPGA器件和VHDL硬件描述語言,，采用Quartus Ⅱ 3.0軟件平臺與仿真環(huán)境，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)曝光時(shí)間的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器,，并闡述了其邏輯設(shè)計(jì)原理,。
關(guān)鍵詞： FPGA  VHDL  Quartus Ⅱ 3.0  電荷耦合器件(CCD)  驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器

　　電荷耦合器件(CCD)作為一種光電轉(zhuǎn)換器件，具有自掃描,、體積小,、分辨率高、可靠性好,、光譜響應(yīng)寬等優(yōu)點(diǎn),，已廣泛應(yīng)用于圖像傳感、景物識別,、非接觸測量等領(lǐng)域,。CCD應(yīng)用的關(guān)鍵是驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生及輸出信號的處理。CCD芯片的轉(zhuǎn)換效率,、信噪比等光電轉(zhuǎn)換特性只有在合適的時(shí)序脈沖驅(qū)動(dòng)下,，才能達(dá)到器件工藝所規(guī)定的最佳值而輸出穩(wěn)定可靠的視頻信號。然而由于不同廠家,、不同型號的CCD器件的驅(qū)動(dòng)電路各不相同,，致使驅(qū)動(dòng)信號的產(chǎn)生必須根據(jù)具體的CCD器件時(shí)序要求來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。如何快速,、方便地產(chǎn)生CCD驅(qū)動(dòng)電路,，成為CCD應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。
　　隨著CCD技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方法如單片機(jī)驅(qū)動(dòng)法,、EPROM驅(qū)動(dòng)法,、直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)法等，由于速度和功能上的限制,，已不能很好地滿足CCD應(yīng)用向高速,、小型化、智能化發(fā)展的需要,。而可編程邏輯器件（CPLD、FPGA）以其高集成度,、高速度,、高可靠性、開發(fā)周期短可滿足這些需要,，與VHDL語言的結(jié)合可以很好地解決上述問題,。由于可編程邏輯器件可以通過軟件編程對其硬件的結(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)那樣方便快捷,。
　　本文以TCD1702C型線陣CCD芯片為例,，在分析其驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上，使用VHDL語言對驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器進(jìn)行硬件描述,，運(yùn)用Quartus Ⅱ 3.0軟件對所做的設(shè)計(jì)進(jìn)行功能和時(shí)序仿真,，選用Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列FPGA器件EP1K30作為硬件設(shè)計(jì)載體，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)曝光時(shí)間的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器,。
1  線陣CCD的工作原理及驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析
　　TCD1702C為TOSHIBA公司生產(chǎn)的一種有效像元數(shù)為7 500的雙溝道二相線陣CCD,，其像敏單元尺寸為長7μm、高7μm,、中心距亦為7μm,，像敏區(qū)總長為52.5mm，最佳工作頻率1MHz,。TCD1702C的原理結(jié)構(gòu)如圖1所示,，它的有效象素單元分奇、偶2列轉(zhuǎn)移并分別由OS1和OS2端口輸出,；驅(qū)動(dòng)脈沖由時(shí)鐘脈沖Φ1和Φ2,、轉(zhuǎn)移脈沖ΦSH、復(fù)位脈沖ΦRS,、鉗位脈沖ΦCP構(gòu)成,。其中鉗位脈沖使輸出信號鉗制在零信號電平上。這些信號均由CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生,。TCD1702C驅(qū)動(dòng)脈沖波形結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　由圖2可知，CCD的1個(gè)工作周期分為二個(gè)階段：光積分階段和電荷轉(zhuǎn)移階段。在光積分階段,，ΦSH為低電平,，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,。存儲柵和模擬移位寄存器分別工作,，存儲柵進(jìn)行光積分，模擬移位寄存器則在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下串行地向輸出端轉(zhuǎn)移信號電荷,，最后由OS1和OS2端分別輸出,。從圖中可以看到，OS1和OS2幾乎是并行輸出的,，OS1輸出奇數(shù)像元的信號,，OS2輸出偶數(shù)像元的信號，ΦRS信號清除移位寄存器中的殘余電荷,。在電荷轉(zhuǎn)移階段,，ΦSH為高電平，存儲柵和模擬移位寄存器之間導(dǎo)通,，實(shí)現(xiàn)感光陣列光積分所得的光生電荷并行地分別轉(zhuǎn)移到光敏區(qū)二側(cè)的模擬移位寄存器的電荷勢阱中,。此時(shí)，輸出脈沖停止工作,，輸出端沒有有效信號輸出,。
　　由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS1和OS2端首先分別輸出13個(gè)虛設(shè)單元信號,，再輸出51個(gè)暗信號,，然后才連續(xù)輸出S1到S7500的有效象素單元信號。在S7500信號輸出后,，又分別輸出7個(gè)暗信號,，再輸出1個(gè)奇偶檢測信號，以后便是空驅(qū)動(dòng)(空驅(qū)動(dòng)數(shù)目可以是任意的),。由于該器件是2列并行分奇,、偶傳輸，所以在1個(gè)ΦSH周期中至少要有3 822個(gè)Φ1脈沖,，即TSH>3 822T1,。由此可知，改變時(shí)鐘頻率或增加光積分周期內(nèi)的時(shí)鐘脈沖數(shù),，就可以改變光積分周期,。
　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是：在系統(tǒng)最佳工作頻率下，通過基本計(jì)數(shù)單元產(chǎn)生CCD工作所需的基本波形,，保證CCD正常工作,；而通過積分時(shí)間控制信號A1,、A2、A3控制積分時(shí)間的改變,；000～111分別控制8檔積分時(shí)間變換,。000時(shí)間最短，111時(shí)間最長,；將該驅(qū)動(dòng)器通過A/D采集卡與計(jì)算機(jī)連接,，則可以通過軟件動(dòng)態(tài)設(shè)置積分時(shí)間，實(shí)現(xiàn)CCD光積分時(shí)間的智能控制,。
　　根據(jù)TCD1702C驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)序關(guān)系,，可以確定各路脈沖的技術(shù)指標(biāo)如下：
　　Φ₁=Φ₂=1MHz，占空比為1：1,，方波,；Φ_SH脈沖寬度為1 000ns。Φ₁,、Φ₂在并行轉(zhuǎn)移時(shí)有一個(gè)大于Φ_SH為高電平時(shí)的持續(xù)時(shí)間的寬脈沖，脈寬為2 000ns,。Φ_RS=1MHz,，占空比為1：4，方波,，低電平有效,；Φ_CP=1MHz，脈沖寬度為125ns,，方波,，低電平有效。
2  可調(diào)曝光時(shí)間的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的VHDL描述與仿真
　　系統(tǒng)采用Altera公司開發(fā)的Quartus Ⅱ3.0軟件平臺與仿真環(huán)境,。QuartusⅡ是新一代PLD開發(fā)系統(tǒng),，能夠提供完整的多平臺設(shè)計(jì)環(huán)境，可以很好地滿足特定設(shè)計(jì)的需要,，并可幫助設(shè)計(jì)者加快可編程單芯片(SOPC)設(shè)計(jì),。使用QuartusⅡ軟件在QuartusⅡBlock Editor中建立設(shè)計(jì)，Block Editor用作以原理圖和流程圖的形式輸入和編輯圖形設(shè)計(jì)的信息,。每個(gè)原理圖設(shè)計(jì)文件包含塊和符號,，這些塊和符號代表設(shè)計(jì)中的邏輯，Block Editor會自動(dòng)地將每個(gè)流程圖,、原理圖或符號代表的設(shè)計(jì)邏輯融合到工程中,。
　　總體設(shè)計(jì)思想是選用原理圖設(shè)計(jì)文件中的塊（Block）建立設(shè)計(jì)文件，將驅(qū)動(dòng)時(shí)序分成3個(gè)功能模塊,，分別是FENPIN模塊,、RESETCLAMP模塊和CLOCKPHASE模塊,。每個(gè)模塊均由VHDL硬件描述語言編寫。驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器頂層原理構(gòu)成框圖如圖3所示,。其中驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器還經(jīng)由CLOCKPHASE模塊提供行同步掃描信號FC以及像元同步脈沖SP,，為用戶提供控制脈沖。行同步脈沖FC的上升沿對應(yīng)于CCD有效視頻輸出的開始(通常線陣CCD輸出的前后端都包含有若干像元的無效信號）,；像元同步脈沖SP的上升沿對應(yīng)于單個(gè)像元的視頻輸出,，如果需要對輸出信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可在SP的上升沿對輸出進(jìn)行采樣,。

　　FENPIN模塊的功能是將外部信號發(fā)生器產(chǎn)生的8MHz高頻信號脈沖經(jīng)分頻器分頻后產(chǎn)生脈沖信號CLK,，以得到占空比為1：1的1MHz CCD最佳工作頻率。RESETCLAMP(RS_CP)模塊用以產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號RS和鉗位脈沖信號CP,。CLOCKPHASE模塊產(chǎn)生FC,、SP、時(shí)鐘脈沖信號Φ1,、Φ2和轉(zhuǎn)移脈沖信號ΦSH,。基本計(jì)數(shù)電路計(jì)數(shù)范圍為0～7 701,，用以保證CCD的最小光積分時(shí)間要求,。而積分時(shí)間的改變是通過程序內(nèi)附加的延時(shí)電路實(shí)現(xiàn)的。通過積分時(shí)間控制信號對積分時(shí)間的控制,，在保證基本光積分時(shí)間下,，可以實(shí)現(xiàn)1ms、3ms,、5ms,、10ms、20ms,、50ms,、100ms的延時(shí)。修改程序的延時(shí)電路的預(yù)值數(shù),，可進(jìn)一步延長CCD的積分時(shí)間,，以適應(yīng)那些需要特別長積分時(shí)間的場合。在系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)得以滿足的情況下,，適當(dāng)更改系統(tǒng)主頻,，也可以增加光積分時(shí)間。由于篇幅所限,，下面僅給出基本計(jì)數(shù)電路下積分延時(shí)時(shí)間為1ms的VHDL程序,，其他延時(shí)時(shí)間的VHDL程序原理相同，僅延時(shí)預(yù)置初值不同,。
　　PROCESS(CLKIN)
　　VARIABLE COUNT：INTEGER,；
　　VARIABLE N：INTEGER RANGE 0 TO 199,；
　　VARIABLE BB：INTEGER RANGE 0 TO 2 000；
　　VARIABLE AA,，CC,，DD：STD_LOGIC；
　　VARIABLE TEMP：STD_LOGIC_VECTOR(2 DOWNTO 0),；
　　BEGIN
　　TEMP：=A1&A2&A3,；
　　IF(CLKIN′EVENT AND CLKIN=′1′) THEN
　　　  CASE TEMP IS
　　　  WHEN ″001″=>
　　　　　  IF(N=1) THEN COUNT：=1；N：=0,；
　　　　　  ELSE COUNT：=COUNT+1,；
　　　　　　    IF(COUNT>7701) THEN
　　　　　　　        IF(BB=2000) THEN BB：=0；N：=N+1,；
　　　　　　　        ELSE BB：=BB+1,；
　　　　　　　        END IF；
　　　　　    END IF,；
　　　　  END IF,；
　　  WHEN OTHERS=>NULL；
　　  END CASE,；
　　  IF(COUNT<5) THEN AA：=′1′,；
　　  ELSE AA：=NOT AA；
　　  END IF,；
　　  IF(COUNT=2 OR COUNT=3) THEN CC：=′1′；
　　  ELSE CC：=′0′,；
　　  END IF,；
　　 SHIFT_PULSE<=CC；
　　 CLOCKPHASE1<=AA,；
　　 CLOCKPHASE2<=NOT AA,；
　　 END IF；
　　 END PROCESS,；
　　 FPGA設(shè)計(jì)開發(fā)流程可歸納為6個(gè)步驟,，即：設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)綜合,、功能仿真,、布局布線、時(shí)序分析和器件編程與配置,。系統(tǒng)邏輯功能時(shí)序仿真波形如圖4所示,，其輸出波形與圖2的時(shí)序波形相吻合，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果,。
3  驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)
　　TCD1702C的時(shí)序邏輯是由現(xiàn)場可編程門陣列FPGA器件EP1K30實(shí)現(xiàn)的,。EP1K30芯片典型門數(shù)為30 000門,，1 728個(gè)邏輯單元，SRAM結(jié)構(gòu),，可在線重新編程,。這些特點(diǎn)使得時(shí)序的調(diào)試與調(diào)整比較容易。經(jīng)過設(shè)計(jì)輸入,、編譯和仿真等步驟,，即可通過JTAG加載電纜將生成的數(shù)據(jù)序列加載到目標(biāo)芯片，完成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能配置,，實(shí)現(xiàn)所需硬件功能,；再經(jīng)電平轉(zhuǎn)換，將時(shí)序脈沖轉(zhuǎn)變成具有特定波形和電壓幅度的邏輯驅(qū)動(dòng)信號,，完成CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的整個(gè)設(shè)計(jì),。
4  結(jié)  論
　　在分析TOSHIBA公司的TCD1702C型線陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場可編程門陣列FPGA和VHDL硬件描述語言,，設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)曝光時(shí)間的CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器,。系統(tǒng)測試表明，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的各時(shí)序信號可以滿足線陣CCD1702C芯片的驅(qū)動(dòng)要求,。由于驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)是可再編程的,，如果要增加或減少某些功能，則可在不改變?nèi)魏斡布那闆r下,，只對器件重新編程,，就可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器的更新?lián)Q代。硬件電路設(shè)計(jì)的軟件化是電路設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢,，以HDL語言表達(dá)設(shè)計(jì)意圖,、CPLD/FPGA作為硬件載體、計(jì)算機(jī)為設(shè)計(jì)開發(fā)工具,、EDA軟件為開發(fā)環(huán)境的現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法日趨成熟,。該方法不僅簡化了硬件的開發(fā)和制造過程，使設(shè)計(jì)人員擺脫了電路細(xì)節(jié)的繁瑣,，而且具有體積小,、可靠性高、設(shè)計(jì)與調(diào)試靈活等優(yōu)點(diǎn),。
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