電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)作為一種光電轉(zhuǎn)換圖像傳感器，在精密測量,、非接觸無損檢測,、文件掃描與航空遙感等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。

    線陣CCD正常工作的關(guān)鍵是其驅(qū)動電路的設(shè)計,，即要產(chǎn)生CCD正常工作的時序,。傳統(tǒng)的時序生成方法有分立元件法、單片機(jī)實現(xiàn)的驅(qū)動法等,，但均存在電路調(diào)試?yán)щy,、時序波形難以滿足線陣CCD使用要求的缺點。利用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）產(chǎn)生CCD工作時序是目前常用的設(shè)計方法,。CPLD具有集成度高,、設(shè)計靈活等特點，能夠保證驅(qū)動波形的嚴(yán)格匹配[2],。本文介紹了一種基于美國Altera公司的CPLD芯片EPM7128,、利用VHDL語言編程實現(xiàn)TCD-1501D的驅(qū)動設(shè)計方法。
1 TCD1501D的驅(qū)動時序分析
    TCD1501D芯片是日本TOSHIBA公司生產(chǎn)的線陣CCD圖像傳感器,，工作時有5 000個有效像元,，其電路圖如圖1所示。

    TCD1501D使用手冊上要求驅(qū)動時序如圖2所示[3],。

    由圖2可以看出,，TCD1501D工作所需的驅(qū)動信號有10路脈沖：φ1E,、φ1o、φ1B,、φ2E,、φ2o、φ2B 6路觸發(fā)脈沖中φ1E,、φ1o,、φ1B時序相同(圖2中統(tǒng)一表示為φ1)，φ2E,、φ2o,、φ2B時序相同(圖2中統(tǒng)一表示為φ2)，且φ1,、φ2兩者反相,；SH為轉(zhuǎn)移脈沖，RS為復(fù)位脈沖,，SP為采樣保持脈沖,，CP為箝位脈沖。這10路脈沖之間有著嚴(yán)格的時序關(guān)系,，在時序分析階段還需要參考圖3所示的時序圖,。

      根據(jù)圖2、圖3和圖4即可進(jìn)行時序波形的設(shè)計,，由于φ1E,、φ1o、φ1B時序相同,，統(tǒng)一設(shè)為φ1；φ2E,、φ2o,、φ2B時序相同，統(tǒng)一設(shè)為φ2,。本系統(tǒng)設(shè)計中硬件電路板上CPLD芯片EPM7128晶振時鐘頻率為16 MHz,，每個時鐘周期是62.5 ns。SH脈沖根據(jù)圖3典型持續(xù)時間為1 000 ns,；φ1的第一個寬脈沖設(shè)計為1 500 ns,；RS工作頻率為1 MHz，對晶振時鐘進(jìn)行16分頻即可實現(xiàn),，RS的占空比為75％,，高電平持續(xù)時間為750 ns，低電平持續(xù)時間為250 ns,；φ1,、φ2的工作頻率為0.5 MHz,，對全局時鐘進(jìn)行32分頻即可實現(xiàn)，占空比為50％,，且φ1,、φ2反相；SP信號低電平持續(xù)時間為62.5 ns,，距離RS的下降沿為62.5 ns,；CP的低電平持續(xù)時間為62.5 ns，即一個時鐘周期,。
2 基于CPLD的驅(qū)動時序的設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 CPLD芯片的選型
    本系統(tǒng)設(shè)計中采用Altera公司的EPM7128SLC84-15芯片,，PLCC封裝，84個引腳,。其集成度高,，邏輯密度達(dá)2 500個可用門，128個宏單元,。芯片工作頻率達(dá)147.1 MHz[4],。
2.2 電源電路
    本系統(tǒng)中混合了多種電壓，其中CCD為12 V供電,，CCD的驅(qū)動脈沖電壓為5 V,，而EPM7128電壓為3.3 V。在電源電路的設(shè)計中,，采用外部直流穩(wěn)壓源為系統(tǒng)提供12 V和5 V電壓,，比較低的3.3 V電壓由LT1764轉(zhuǎn)換（5 V轉(zhuǎn)3.3 V）得到。
2.3 軟件開發(fā)環(huán)境
    本系統(tǒng)中程序設(shè)計語言為VHDL,時序功能仿真軟件使用Active HDL 9.1,下載軟件使用Quartus II 5.0,。整個系統(tǒng)功能仿真結(jié)果如圖4所示,。

    放大后主要的6路輸入波形如圖5所示（實際上是10路，u1和u2相當(dāng)于φ1和φ2,，這兩路實際上是6路信號）,，其中clk為全局時鐘，頻率為16 MHz, 占空比為50%,；start為啟動信號,當(dāng)start信號從低電平變?yōu)楦唠娖綍r系統(tǒng)開始工作,；rs為復(fù)位脈沖, sh為積分脈沖，cp為箝位脈沖,，sp為采樣保持脈沖,。在利用Quartus II 5.0綜合仿真的過程中需要綁定引腳，其中clk鎖定在EPM7128SLC84-15芯片的83腳,，其余信號只要選普通I/O即可,。
3 實驗結(jié)果
    VHDL程序編譯完成后通過JTAG口將生成的pof文件下載固化到電路板上的CPLD芯片中，就可以通過示波器在CPLD芯片的相應(yīng)引腳上觀看驅(qū)動波形,。使用泰克公司的TDS2024示波器看到的驅(qū)動波形如圖6,、圖7所示,。圖6為SH、φ1,、φ2和RS的時序圖,，圖7為SH、φ1,、RS和CP的時序圖,。從示波器上可以看出，波形和手冊上要求的波形十分符合,。

    驅(qū)動設(shè)計完成后,CCD輸出波形經(jīng)反相驅(qū)動電路[5]（以提高驅(qū)動能力,，因為CPLD芯片輸出為3.3 V，而CCD驅(qū)動脈沖為5 V）,、放大電路,、濾波電路等電路處理后即可正常工作。經(jīng)調(diào)試,，此系統(tǒng)已成功運用于卷紗機(jī)圖像處理課題中,效果良好,。此次設(shè)計中充分發(fā)揮了CPLD電路“可編程”的技術(shù)優(yōu)勢，具有靈活性強(qiáng),、集成度高,、穩(wěn)定性好的特點，相對于傳統(tǒng)的驅(qū)動電路設(shè)計,，極大地簡化了設(shè)計過程和驅(qū)動電路結(jié)構(gòu),。
參考文獻(xiàn)
[1] 張旭.高速線陣CCD數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理技術(shù)的研究[D]. 長春：長春理工大學(xué),，2008.
[2] 潘松.EDA技術(shù)實用教程[M].北京：科學(xué)出版社,，2006.
[3] Toshiba.TCD1501D datasheet[Z].2001.
[4] Altera.MAX 7000 programmable logic device family datasheet[Z].2001.
[5] 辛鳳艷，孫曉曄.基于FPGA和線陣CCD的高速圖像采集系統(tǒng)[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,，2012,，22(8)：205-207，212.