基于FPGA的科学级CCD相机时序发生器的设计

技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第２－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》ＰＬＤＣＰＬＤＦＰＧＡ应用基于ＦＰＧＡ的科学级ＣＣＤ相机时序发生器的设计ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＴｉｍｉｎｇＧｅｎｅｒａｔｏｒｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤＣａｍｅｒａＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡ（１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所；２．北京中国科学院研究生院）李云飞１，２李敏杰１，２司国良１郭永飞１ＬＩＹＵＮＦＥＩＬＩＭＩＮＧＪＩＥＳＩＧＵＯＬＩＡＮＧＧＵＯＹＯＮＧＦＥＩ摘要：简述了科学级ＣＣＤ相机中ＣＣＤ成像单元的时序发生器的功能：产生ＴＤＩ－ＣＣＤ、视频处理器和图像数据输出所需的各种时钟脉冲信号，在ＣＣＤ成像单元工作中起着时间上同步协调的作用。

该科学级ＣＣＤ相机采用ＤＡＬＳＡ公司的ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ作为传感器，在分析ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ器件驱动时序关系的基础上，设计了科学级ＣＣＤ相机时序发生器。

选用ＦＰＧＡ作为硬件设计平台，使用ＶＨＤＬ语言对时序发生器进行硬件描述，采用ＥＤＡ软件对所设计的时序发生器进行仿真，针对ＸＩＬＩＮＸ公司的可编程器件ＸＣ２ＶＰ２０－ＦＦ１１５２进行适配。

结果表明：系统的集成度、抗干扰能力提高了，实现了科学级ＣＣＤ相机工作时的可靠性、稳定性，以及低功耗，同时也使设计与调试周期缩短至小时量级。

关键词：科学级ＣＣＤ相机；ＴＤＩ－ＣＣＤ；时序发生器；现场可编程门阵列中图分类号：ＴＮ２９文献标识符：ＢＡｂｓｔｒａｃｔ：ＢｒｉｅｆｌｙｐｒｅｓｅｎｔｅｄｔｈｅＴｉｍｉｎｇＧｅｎｅｒａｔｏｒ＇ｓｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤＣａｍｅｒａ：ｉｔｇｅｎｅｒａｔｅｓｖａｒｉｏｕｓｋｉｎｄｓｏｆｉｍｐｕｌｓｅｓｅｑｕｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅＴＤＩ－ＣＣＤａｎｄｖｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｉｍａｇｉｎｇｄａｔａｏｕｔｐｕｔａｎｄａｃｔｓａｓｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒｆｏｒｔｉｍｅｉｎｔｈｅＣＣＤｉｍａｇｉｎｇｕｎｉｔ．ＴｈｅＩＬ－Ｅ２ＴＤＩ－ＣＣＤｓｅｎｓｏｒｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＤＡＬＳＡＣｏ．Ｌｔｄ．ｈａｓｂｅｅｎｕｓｅｄｔｈｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤＣａｍｅｒａ．ＤｒｉｖｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅｓｏｆＩＬ－Ｅ２ＴＤＩ－ＣＣＤｓｅｎｓｏｒｈａｓｂｅｅｎｅｘａｍｉｎｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｓｃｈｅｄｕｌｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｆｏｒＳｃｉ－ｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤＣａｍｅｒａ．ＦＰＧＡｈａｓｂｅｅｎｃｈｏｓｅｎａｓｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｐｌａｔｆｏｒｍ，ｓｃｈｅｄｕｌｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｄｅｓｃｒｉｂｅｄｗｉｔｈＶＨＤＬ．ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｇｅｎｅｒａｔｏｒｈａｓｂｅｅｎｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｆｕｌｆｉｌｌｅｄｆｕｎｃｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＥＤＡｓｏｆｔｗａｒｅａｎｄｆｉｔｔｅｄｉｎｔｏＸＣ２ＶＰ２０－ＦＦ１１５２（ａｋｉｎｄｏｆＦＰＧＡｐｒｏｄｕｃｔｓｔｈａｔｍａｄｅｂｙＸＩＬＩＮＸ）．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｍｐｒｏｖｅｄｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤｃａｍｅｒａｓｙｓｔｅｍ＇ｓｈｉｇｈｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｌｏｗｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅａｃｈｉｅｖｅｄ．Ａｔｔｈｅｍｅａｎ－ｔｉｍｅ，ｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｓｈａｒｐｌｙｓｈｏｒｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＧｒａｄｅＣＣＤＣａｍｅｒａ，ＴＤＩ－ＣＣＤ，ＣＣＤｔｉｍｉｎｇｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ＦＰＧＡ文章编号：１００８－０５７０（２００７）０２－２－０１９６－０３１引言科学级ＣＣＤ相机（ＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃｇｒａｄｅＣＣＤｃａｍｅｒａ）是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的ＣＣＤ相机，用于对微光信号检测和微光成像。

它在射线数字成像检测、生物医学工程、水下摄影、武器装备、天文观测、空间对地观测等多种技术领域得到了广泛应用。

科学级ＣＣＤ相机一般由高速ＣＣＤ感光芯片、视频信号处理器、时序控制器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像系统等部分组成，其中时序发生器性能的优劣直接决定了相机的品质参数。

该科学级ＣＣＤ相机采用ＤＡＬＳＡ公司的ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ作为传感器，本文分析了ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ芯片的工作过程和对驱动信号的要求，在此基础上设计出合理的时序电路，为了满足在实际工作中像移速度异速匹配的要求，在时序电路的设计中时序发生部分是可调的。

这种设计方案简单、可靠、实用。

在综合比较各种硬件实现电路的优缺点后，选用现场可编程逻辑门阵列（ＦＰＧＡ）作为硬件设计平台，使用ＶＨＤＬ语言对驱动电路方案进行了硬件描述，采用ＥＤＡ软件对所设计的时序发生器成功地进行了功能仿真。

最后针对ＸＩＬＩＮＸ公司的可编程逻辑器件ＸＣ２ＶＰ２０－ＦＦ１１５２进行了适配和硬件电路调试，进而实现了对整个科学级ＣＣＤ相机的控制。

２ＴＤＩ－ＣＣＤ的工作原理及驱动分析２．１ＴＤＩ－ＣＣＤ工作原理简介ＴＤＩ（ｔｉｍｅｄｅｌａｙａｎｄｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）是一种能够增加线扫描传感器灵敏度的扫描技术。

ＴＤＩ－ＣＣＤ是具有一种面阵结构、线阵输出的新型ＣＣＤ，较普通的线阵ＣＣＤ而言，它具有多重级数延时积分的功能。

从其结构来看，多个线阵平行排列，像元在线阵方向和级数方向呈矩形排列，像元分布示意图如图１所示。

图１ＴＤＩ－ＣＣＤ像元分布示意图图１中，ＴＤＩ－ＣＣＤ的电荷累积方向是沿Ｙ向进行的，其推扫级数自下而上为第１级至第９６级。

在成像过程中，随着相机（或景物）的运动，ＴＤＩ－ＣＣＤ从第９６级至第１级依次感光，电荷从第９６级至第１级逐级累积。

最终，经过多重延时积分积累起来的电荷包（成像数据信息）转移到ＣＣＤ水平读出寄存器上，并从第１级经运算放大器传输出去。

从ＴＤＩ－ＣＣＤ的电性能特点可以看出，ＴＤＩ－ＣＣＤ为一种单方向推扫成像器件。

与一般ＣＣＤ相比，ＴＤＩ借助了６、１２、２４、４８、９６等可变积分级数来增加曝光时间。

在传感器成像时，由于信号存储与曝光时间是成正李云飞：博士研究生资金资助：中科院科研资助项目（Ｘ０４Ｑ０１Ｚ）１９６－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新ＰＬＤＣＰＬＤＦＰＧＡ应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注比的，ＴＤＩ－ＣＣＤ通过延长曝光时间来增加所收集到的光子，因此比一般线阵ＣＣＤ具有更高的灵敏度，可用在低光照度环境下成像，同时又不会影响扫描速度。

ＴＤＩ－ＣＣＤ具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点，使其在高速、微光领域具有广泛的应用前景。

２．２关于ＤＡＬＳＡＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ图像传感器ＣＣＤ图像传感器是科学级ＣＣＤ相机的关键组成部件，其性能的优劣直接影响着相机的功能和使用效果。

该科学级ＣＣＤ相机选用了加拿大ＤＡＬＳＡ公司生产的ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ图像传感器，该ＴＤＩ－ＣＣＤ的像素结构２０４８×９６。

像元尺寸为１３μｍ（Ｈ）×１３μｍ（Ｖ）、最高数据输出频率为２０ＭＨｚ、动态范围为１６００：１、单向、单端输出、级数可选、具有蓝光响应增强功能的ＴＤＩ－ＣＣＤ。

ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ可以分为３个功能区，即光敏元探测区、电荷传输区、检测输出区。

２．３ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ驱动时序分析ＴＤＩ－ＣＣＤ的驱动时序控制比普通线阵ＣＣＤ的驱动时序控制要复杂的多，ＩＬ－Ｅ２型ＴＤＩ－ＣＣＤ的时序控制包括各种直流电平控制和各种时钟脉冲序列控制。

对于前者，主要包括供电电压ＶＤＤ、输出栅电压ＶＥＳＴ、溢出栅电压ＶＯＶ、衬底电压ＶＢＢ和级数控制偏置电压等；对于后者，主要包括行转移时钟脉冲ＴＣＫ，像元移位读出时钟脉冲ＣＲ１、ＣＲ２，输出复位时钟脉冲ＲＳＴ，ＴＤＩ方向移位寄存器驱动时钟脉冲ＣＩ１～ＣＩ４，级数控制时钟脉冲ＣＳＳ６、ＣＳＳ１２、ＣＳＳ２４、ＣＳＳ４８。

ＴＤＩ－ＣＣＤ工作时，在行转移时钟脉冲ＴＣＫ为高电平期间，像元感光产生的信号电荷在ＴＤＩ方向移位寄存器驱动时钟脉冲ＣＩ１、ＣＩ２、ＣＩ３、ＣＩ４的共同作用下，沿着ＴＤＩ（ＴＤＩ级数由ＴＤＩ级数控制脉冲选为６、１２、２４、４８、９６中的一种）方向积累并转移到输出移位寄存器中；当ＴＣＫ为低电平时，ＴＤＩ－ＣＣＤ在像元移位读出时钟脉冲ＣＲ１、ＣＲ２的作用下，输出复位时钟脉冲ＲＳＴ每来一个有效电平高电平时，ＴＤＩ－ＣＣＤ的输出信号ＯＳ端输出一个信号，直到信号输出完为止。

之后ＴＣＫ由低电平变为高电平，ＣＩ１、ＣＩ２、ＣＩ３、ＣＩ４也相应的变为有效电平，转移上一次转移完后像元感光产生的信号电荷，开始一个新的周期。

这些时序控制的详细对应关系如图２所示。

图２ＴＤＩ－ＣＣＤ时序详图对于此ＴＤＩ－ＣＣＤ时序设计与普通线阵ＣＣＤ时序设计存在以下几个突出特点。

（１）在ＴＤＩ方向存在４相移位寄存器驱动时钟，它们的周期与行周期一致，高电平脉宽ｔ３应大于３μｓ，ＣＩ１的上升沿滞后于ＴＣＫ的上升沿，ＣＩ２的下降沿滞后于ＴＣＫ的下降沿，ＣＩ１、ＣＩ２的高电平脉宽至少有１μｓ的重叠。

ＣＩ３、ＣＩ４在时序关系上分别为ＣＩ１、ＣＩ２的倒相。

（２）此ＴＤＩ－ＣＣＤ的工作级数可以通过ＣＳＳ６、ＣＳＳ１２、ＣＳＳ２４、ＣＳＳ４８四个级数选择信号进行控制，使其工作于９６、４８、２４、１２和６级。

３时序发生器的原理组成和工作过程分析时序发生器产生ＴＤＩ－ＣＣＤ、视频处理器和图像数据输出所需的各种时钟脉冲信号，时序发生器在ＣＣＤ成像单元工作中起着时间上同步协调的作用。

它由时序控制器给出的指令和参数予以控制。

时序控制器控制ＴＤＩ－ＣＣＤ工作时的行转移周期，积分级数，控制指令和参数以串行数据的形式送至时序控制器中，时序发生器根据时序控制器给出的指令和数据产生ＴＤＩ－ＣＣＤ和视频处理器所需要的时钟脉冲信号：行转移时钟脉冲、像元移位读出时钟脉冲、输出复位时钟脉冲、ＴＤＩ方向移位寄存器驱动时钟脉冲、级数控制时钟脉冲、相关双采样时钟脉冲、Ａ／Ｄ转换器采样时钟脉冲等。

为了提高工作时的可靠性，在时序控制器中控制指令和参数没有更新时，时序发生器将按时序控制器中初始设置参数工作。

时序发生器的设计：时序发生器生成ＴＤＩ－ＣＣＤ、视频处理器和图像数据输出所需要的各种时序。

所有时序是由主振脉冲序列通过逐级分频后的脉冲序列进行逻辑和组合运算产生的。