基于FPGA的轉移型面陣CCD驅動電路設計

0 引言

CCD（Charge Coupled Device）是20世紀70年代初發展起來的新型半導體集成光電器件，它可以把通過光學鏡頭投影到其上的景物可見光信號轉換成比例的電荷包，并在適當的時鐘脈沖的驅動下進行定向轉移，從而輸出成為電壓視頻圖像。CCD具有集成度高、功耗小、體積小、工作電壓低、靈敏度高等優點，目前已廣泛應用與空間遙感、對地觀測等領域。

按結構分類，CCD可分為線陣CCD和面陣CCD，而面陣CCD按排列方式又可分為全幀轉移（Full Frame）CCD、幀轉移（Frame Transfer）CCD以及行間轉移（Interline Transfer）CCD。三種類型的CCD各有優缺點，其中行間轉移CCD不需要機械快門，速度最快，最適合用于觀測快速運動的物體。本文設計了一種行間轉移型面陣CCD的高速驅動電路。

1 行間轉移型面陣CCD的結構和工作模式

本設計采用的是SONY公司的ICX415AL型號CCD芯片，ICX415AL是行間轉移型面陣CCD，對角線為8 mm，尺寸為8．3 μmx8．3 μm，總像元素為823（H）×592（V），有效像元為782（H）x582（V）。它不僅具有高靈敏度、低暗電流的特性，而且還具有優秀的抗開花技術。ICX415AL還具有連續可變的電子快門功能，可以通過控制曝光時間，獲得不用曝光條件下的圖像。

ICX415AL的結構如圖1所示。其中，感光單元與存儲單元相鄰排列，相當若干個單邊傳輸的線陣CCD按垂直方向排列，在積分時間結束后，感光單元電荷轉移到相鄰的存儲單元，在垂直轉移脈沖V1，V2，V3的共同作用下一行一行的轉移至水平移位寄存器，在水平轉移脈沖H1，H2和復位脈沖RG的共同作用下經放大器讀出。

2 行間轉移面陣CCD的驅動電路設計

整個電路設計如圖2所示，它主要包括偏置電路、時序驅動電路、視頻信號處理單元等。下面分別介紹這幾個部分。

ICX415AL偏置電路設計包括電源電壓以及各種驅動時序電壓。經仔細分析得出，CCD的垂直轉移信號電壓為-7．5 V，0 V，15 V三個級次，水平移位信號和復位信號電壓為5 V，基底信號電壓為22．5 V，FPGA供電電壓為3．3 V。綜合CCD供電系統要求，選用24 V作為外部電壓，使用YD12-24S15芯片獲得15 V和-12 V電壓，利用YDl6-24S05芯片獲得5 V電壓。分別將-12 V和5 V電壓經過芯片LM2991和芯片LT1764EQ轉換為-7．5 V和3．3 V電壓，這樣就獲得了整個電路所需要的電壓。

時序驅動電路的設計比較復雜，對成像效果至關重要，因此，時序驅動電路的設計是整個系統的關鍵。ICX415AL芯片有3種驅動模式：逐行掃描模式、場讀出模式和中心掃描模式。其中逐行掃描模式具有較高的分辨率，且在29．5 MHz的時鐘驅動下可以達到每秒50幀圖像，滿足設計的需要，因此本設計采用逐行掃描模式。在該模式下，CCD需要7個驅動信號，垂直轉移時鐘V1，V2，V3，水平轉移時鐘H1和H2，復位時鐘信號RG，以及控制曝光時間的基底時鐘SUB。CCD的一個周期包括感光階段和轉移階段。在感光階段，給基底提供一個時鐘信號，在信號高電平期間，CCD處于偏置階段，開始收集電荷，儲存電荷的多少取決于外界光亮度以及曝光時間。當垂直轉移時鐘V1，V2，V3出現一個如圖3所示的三相電平信號時，感光階段結束，成像單元電荷以電荷包的形式轉移到相鄰的存儲單元。轉移階段分為垂直轉移和水平轉移。垂直轉移包含625個循環，每循環一次，電荷沿垂直方向移動一行，最后一行移入水平寄存器，然后在水平移位時鐘H1，H2和復位時鐘RG的作用下完成944個循環，每次循環輸出一個像元信息。復位時鐘RG用于將浮置擴散節點的電荷清除掉，以便能準確測量下一個點荷包。

視頻信號處理單元主要完成預放、濾波、相關雙采樣（CDS）、后置放大以及A／D轉換等功能。本文采用集成圖像處理芯片VSP2230。VSP22 30是一款集成圖像處理芯片，它可以對CCD輸出信號進行相關雙采樣，具有可編程暗電平校正、可編程增益放大器（放大范圍為-6～42 dB）、將模擬信號轉換為十位的數字信號等功能。

相關雙采樣（CDS）單元是對每個像元信號采樣兩次，分別獲得參考電平和信號電平，將兩個電平值的差作為CCD的輸出信號，通過相關雙采樣可以濾除復位噪聲、輸出放大器的白噪聲以及1／f噪聲等。

具體模式見圖4，在嵌位脈沖SHP的上升沿采集參考電平信號，在采用脈沖SHD的上升沿采集信號電平。SHP和SHD的位置很重要，對信號質量影響。很大，需要精細調整。ICX415AL芯片的每一行前端有3個啞像元，后端有38個暗像元，通過測量這些像元的電荷量，可以獲得該款CCD的暗電平值，將上文的輸出信號再減去暗電平值，就可去除暗電流噪聲，輸出更準確的信號。VSP2230芯片有兩個引腳即用來完成該任務，即CLPDM和CPLOB引腳。

在CCD輸出暗像元時，將CPLOB置為低電平，其他時候恒為高電平，在CCD輸出啞像元時，將CLPDM置為低電平，其他時候置為高電平。

最后將模擬信號經A／D轉換為10位數字信號，輸出給FPGA，再經圖像采集卡輸出至顯示設備，即可觀看到視頻圖像。

3 波形仿真結果

本設計采用Altera公司的Cyclone系列的EP1C12F25617芯片，在QuartusⅡ9．1集成開發環境下，運用VHDL語言進行編程，利用Modelsim SE 6．5仿真工具進行仿真，如圖5所示，時序滿足芯片手冊要求。

4 實驗結果

將用VHDL語言編寫好的程序下載到FPGA中，用示波器檢測波形無誤后，接上CCD芯片，將圖像信號經LVDS采集卡采集后顯示于電腦上，如圖6所示，由圖可知，該CCD成像系統成像效果良好，符合設計要求。

5 結論

在分析了SONY ICX415AL行間轉移型面陣CCD的驅動時序的基礎之上，提出了基于FPGA的驅動時序發生器的設計方案，并使用VHDL語言實現了該設計方案。整個設計充分結合了FPGA器件的設計簡單、調試靈活、性能優越等優點和VHDL語言的硬件描述能力強、便于學習和理解等優點。該CCD相機具有每秒50幀的幀頻，適用于觀測高速運動的物體，成像效果良好，目前已運用于實際工程中。