基于FPGA的高帧频面阵CCD驱动控制设计.doc
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1、基于FPGA的高帧频面阵CCD驱动控制设计摘要: 针对面阵CCD KAI-1020 在高帧频工作模式下的驱动要求, 以FPGA 作为控制单元及时序发生器,完成CCD 高帧频工作模式下的硬件及软件设计,仿真验证了驱动时序的正确性,完成了硬件电路的调试与试验。成像实验表明,该设计满足了CCD KAI-1020 在双端口输出模式下成像的各种驱动控制功能,图像分辨率为1 0001 000,帧频达到48 f/s。电荷耦合器件CCD (Charge Coupled Device) 自20 世纪70 年代由贝尔实验室发明以来, 因其分辨率高、测量误差小等优点, 被广泛应用于各种成像仪器中。CCD 按照成像维
2、数分为线阵与面阵两种类型。线阵CCD 因其本身只有一维, 需要进行推扫才能形成二维图像, 主要用于光谱分析与图像扫描等领域; 面阵CCD 因其本身就能形成二维图像, 而被广泛应用于数码相机、摄像机及工业机器人等领域 1。面阵CCD 按电荷读出方式又分为全帧转移、帧转移、行间转移三种, 其中行间转移CCD 因其不需要机械快门、读出速度最快等优点, 一直被作为高帧频CCD 相机的首选。CCD 的驱动时序产生方法主要有以下四种: 直接数字电路(IC) 驱动法、单片机驱动法、EPROM 驱动法、可编程逻辑器件法等 2。近些年来, 随着可编程器件的高速发展,FPGA 因其高速并行处理方式, 极强的编程灵
3、活性, 十分适合用来产生CCD 的驱动时序, 加之其能很好地避免其他驱动方式的弊端, 因而已经成为CCD 驱动电路的首选。本文针对功耗体积要求严格的高帧频高分辨率CCD 相机应用场合, 选用FPGA 作为高速行间转移CCD的驱动控制, 在减小系统体积, 降低系统功耗的同时, 完成控制任务。1 KAI-1020 结构及特点KAI -1020 是美国柯达公司生产的行间转移型面阵CCD, 总像元数1 028 (H)1 008 (V) , 其中有效像元1 000(H)1 000(V) , 像元尺寸7.4 m(V)7.4 m(H) , 有效成像面积10.5 mm 2-3。KAI -1020 具有逐行读出
4、和交错读出( 只读取CCD 1 000 行成像有效单元中的500 行) 两种方式, 最大像元读出速率40 MHz , 可以选择单通道或双通道读出。采用逐行扫描, 双通道读出方式, 图像分辨率为1 000 (H)1 000 (V) , 帧频可达48 帧/秒, 本文设计即为完成此工作模式。为保证KAI -1020 在高帧频工作模式下的信号质量, 其内部集成了相关双采样电路。成像区在感光后, 将光信号转化为电荷包, 在驱动信号的控制下, 将电荷包转移到邻近的存储区, 依次将电荷信号转移、读出, 送入内部集成的CDS 电路采样后输出。2 硬件电路设计KAI-1020 工作时所需驱动信号较为复杂, 需要
5、6 种偏置电压, 电压加载顺序也有一定要求。将驱动电路分为电压产生、FPGA 控制、时序驱动器3 个模块。电压产生模块用来产生FPGA 及CCD 工作需要的各种偏置电压;FPGA 控制模块分为电压控制模块和时序发生模块,分别用来控制CCD 电压上电顺序和CCD 驱动时序产生; 时序驱动器用来匹配FPGA 端口电压与CCD 驱动信号电压。驱动硬件结构如图1 所示。2.1 电压产生模块CCD 作为高精度的图像传感器, 对电源电压稳定性及电路噪声水平要求较高。DC/DC 电源效率高, 但纹波大。LDO 电源稳定性好, 但压差大时发热量也大, 会增加系统功耗及电路噪声 4。KAI -1020 因内部结
6、构要求, 需要进行三步上电,FPGA 作为控制单元,+3.3 V、+2.5 V、+1.2 V 的工作电压需要随系统上电加载。相机母线电压为+12 V, 为保证CCD 正常工作, 降低系统功耗, 减少CCD 高速工作时电压纹波及电路噪声造成的影响, 电压产生模块采用先大压差DC/DC 变换,再小压差线性稳压, 由FPGA 控制上电顺序的方案。电源模块电压变换过程如图2 所示。2.2 FPGA 控制模块为相机小型化考虑,FPGA 选用Xilinx 公司Spartan-3AN 系列中的XC3S400AN。XC3S400AN 资源丰富, 拥有40 万门电路和多达311 个用户I/O, 内部集成了4 M
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