基于CPLD的CCD Sensor驅動(dòng)電路設計

　　0 引 言

　　視覺(jué)信息是客觀(guān)世界中非常豐富，非常重要的部分。隨著(zhù)多媒體系統的發(fā)展，圖像傳感器應用越來(lái)越廣泛。不僅用于攝錄像機，安保產(chǎn)品、數碼相機及計算機鏡頭等，而且開(kāi)始用于傳統上的非視像產(chǎn)品，如移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數字助理(PDA)等。傳送優(yōu)良的圖像，兼顧體積小、重量輕、噪聲低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，CCD圖像傳感器是一個(gè)不錯的選擇。

　　CCD(電荷耦合器件)作為一種光電轉換器件，應用的關(guān)鍵技術(shù)是產(chǎn)生正確的驅動(dòng)器信號和相應的控制信號。不同型號的CCD，驅動(dòng)信號時(shí)序千差萬(wàn)別：有高速CCD驅動(dòng)，高幀率CCD驅動(dòng)，高分辨率CCD驅動(dòng)，紫外CCD驅動(dòng)，其中既有線(xiàn)陣型也有面陣型。傳統的驅動(dòng)器都采用標準的TTL數字集成電路、單片機或者EPROM器件等，這種電路體積大、電路復雜、成本較高并且工作速度慢。在此提出使用可編程邏輯器件(PLD)，完成CCD驅動(dòng)，較好地解決了這些問(wèn)題。

　　1 ICX285AL時(shí)序分析

　　ICX285AL是Sony公司的一款行間轉移、方像素、固態(tài)面陣圖像傳感器，其的總像素是1 434×1 050，有效像素是1 392×1 040，活躍像素是1 360×1 024。垂直寄存器有5個(gè)驅動(dòng)時(shí)鐘V1，V2A，V2B，V3，V4。水平寄存器有4個(gè)驅動(dòng)時(shí)鐘，2組H1，H2。圖1表明水平同步信號HD、垂直同步信號VD、垂直驅動(dòng)信號的時(shí)序關(guān)系。圖2為上述信號的局部放大的相位關(guān)系。驅動(dòng)脈沖的時(shí)序要求如表1所示。

　　注：VT:讀出時(shí)鐘信號(Readout clock);Twh：脈沖商電平保持時(shí)間;Tw1：脈沖低電平保持時(shí)間;Tr：脈沖上升沿時(shí)間;Tf：脈沖下降沿時(shí)間。

　　2 ICX285AL驅動(dòng)邏輯設計

　　ICX285AL驅動(dòng)電路主要有三部分：水平和垂直同步信號，刷新信號和四相位驅動(dòng)脈沖。

　　2.1 水平同步信號HD和垂直同步信號VD

　　由ICX285AL原理可知，基本時(shí)鐘CLK循環(huán)周期應當設為1 790。水平驅動(dòng)信號H1，H2和垂直驅動(dòng)信號V1，V2A，V2B，V3，V4，以及轉移信號SUB在此基礎上建立相互的時(shí)序關(guān)系。H1與H2相位相差180°，V2A與V2B相位完全相同。

　　設置水平同步信號HD和垂直同步信號VD的關(guān)系，可定位sensor有效行的起始位置以及用于校正目的的暗像素(dark pixel)位置。如圖3所示，通過(guò)sensor采集的圖像有效行數為1 063-3=1 060。圖4表明水平驅動(dòng)信號H1與水平同步信號HD的時(shí)序關(guān)系。水平驅動(dòng)信號H1、H2，水平同步信號HD與基本時(shí)鐘信號clk之間的時(shí)序關(guān)系如圖5所示，完全滿(mǎn)足HD的相位要求。

　　2.2 刷新信號SUB

　　刷新信號SUB表示Sensor每傳輸一行圖像信號，就會(huì )有一個(gè)刷新脈沖產(chǎn)生。參照ICX285AL原理，系統的基本計數器Counter計數范圍從1～161之間的值時(shí)，SUB為“0”，低電平;Counter計數范圍從161～287之間的值時(shí)，SUB為“1”，高電平;當為其他值時(shí)，SUB為“0”。圖6為刷新信號SUB與垂直驅動(dòng)信號時(shí)序關(guān)系的仿真結果。

　　2.3 四相位驅動(dòng)脈沖

　　根據四相CCD電荷轉移的原理，CCD中的電荷根據四相時(shí)鐘信號驅動(dòng)，實(shí)現電荷轉移。設計過(guò)程中必須保證四相驅動(dòng)信號V1，V2，V3，V4的時(shí)序關(guān)系。圖7所示為四相驅動(dòng)信號與水平同步信號的仿真波形。

　　3 驅動(dòng)電路CPLD實(shí)現

　　采用Altera公司的CPLD芯片EPM3256AQC208完成CCD驅動(dòng)電路，方案已應用于工業(yè)攝像頭系統。利用泰克500 MHz示波器實(shí)測波形如圖8所示，圖9為水平驅動(dòng)和垂直驅動(dòng)信號局部放大波形。時(shí)序及時(shí)延參數均滿(mǎn)足要求，工作穩定可靠?；赑LD技術(shù)的方案，易于實(shí)現與其他芯片的接口，具有高度靈活性、天然的并行性和快速成型等特點(diǎn)，同時(shí)可通過(guò)編譯平臺方便設置PLD芯片的驅動(dòng)電流，有效降低系統噪聲，是一種性?xún)r(jià)比較高的選擇。