基于FPGA的面陣CCD成像系統設計

摘要：采用SONY行間轉移型面陣CCD ICX415AL作為圖像傳感器，設計了一款新型CCD成像系統。以Altera公司的FPGA芯片EP1C12F256作為時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生CCD驅動(dòng)信號。采用相關(guān)雙采樣技術(shù)濾除了視頻信號中的相關(guān)噪聲，提高信噪比。在QuartusⅡ9．1開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用VHDL編程，并利用Modelsim SE 6．5仿真軟件進(jìn)行訪(fǎng)真測試。實(shí)驗結果表明，所設計的時(shí)序滿(mǎn)足ICX415AL的時(shí)序要求，在29．5 MHz的時(shí)鐘驅動(dòng)下，每秒輸出50幀圖片，能滿(mǎn)足高速跟蹤要求。
關(guān)鍵詞：行間轉移型面陣CCD；驅動(dòng)時(shí)序；相關(guān)雙采樣；FPGA

0 引言
CCD(Charge Coupled Device)是20世紀70年代初發(fā)展起來(lái)的新型半導體集成光電器件，它可以把通過(guò)光學(xué)鏡頭投影到其上的景物可見(jiàn)光信號轉換成比例的電荷包，并在適當的時(shí)鐘脈沖的驅動(dòng)下進(jìn)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(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應用與空間遙感、對地觀(guān)測等領(lǐng)域。
按結構分類(lèi)，CCD可分為線(xiàn)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(lèi)型的CCD各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中行間轉移CCD不需要機械快門(mén)，速度最快，最適合用于觀(guān)測快速運動(dòng)的物體。本文設計了一種行間轉移型面陣CCD的高速驅動(dòng)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(xiàn)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(yōu)秀的抗開(kāi)花技術(shù)。ICX415AL還具有連續可變的電子快門(mén)功能，可以通過(guò)控制曝光時(shí)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(gè)單邊傳輸的線(xiàn)陣CCD按垂直方向排列，在積分時(shí)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(jīng)放大器讀出。

2 行間轉移面陣CCD的驅動(dòng)電路設計
整個(gè)電路設計如圖2所示，它主要包括偏置電路、時(shí)序驅動(dòng)電路、視頻信號處理單元等。下面分別介紹這幾個(gè)部分。
ICX415AL偏置電路設計包括電源電壓以及各種驅動(dòng)時(shí)序電壓。經(jīng)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(gè)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(jīng)過(guò)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(gè)電路所需要的電壓。
時(shí)序驅動(dòng)電路的設計比較復雜，對成像效果至關(guān)重要，因此，時(shí)序驅動(dòng)電路的設計是整個(gè)系統的關(guān)鍵。ICX415AL芯片有3種驅動(dòng)模式：逐行掃描模式、場(chǎng)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(shí)鐘驅動(dòng)下可以達到每秒50幀圖像，滿(mǎn)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(gè)驅動(dòng)信號，垂直轉移時(shí)鐘V1，V2，V3，水平轉移時(shí)鐘H1和H2，復位時(shí)鐘信號RG，以及控制曝光時(shí)間的基底時(shí)鐘SUB。CCD的一個(gè)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(gè)時(shí)鐘信號，在信號高電平期間，CCD處于偏置階段，開(kāi)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(shí)間。當垂直轉移時(shí)鐘V1，V2，V3出現一個(gè)如圖3所示的三相電平信號時(shí)，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(gè)循環(huán)，每循環(huán)一次，電荷沿垂直方向移動(dòng)一行，最后一行移入水平寄存器，然后在水平移位時(shí)鐘H1，H2和復位時(shí)鐘RG的作用下完成944個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)輸出一個(gè)像元信息。復位時(shí)鐘RG用于將浮置擴散節點(diǎn)的電荷清除掉，以便能準確測量下一個(gè)點(diǎn)荷包。