項勤建,劉 爽,龍再川

摘 要:目前,線陣CCD圖像傳感器的種類很多,驅(qū)動時序的產(chǎn)生方法也是多種多樣。CCD時序驅(qū)動電路的設(shè)計是CCD應(yīng)用的關(guān)鍵,只有設(shè)計出符合要求的驅(qū)動時序,CCD器件才能穩(wěn)定可靠的工作。常用的驅(qū)動方法存在某些缺點。在詳細了解線陣CCD器件μPD795,分析其驅(qū)動時序與電路邏輯后,沒有使用常規(guī)方法,而是使用CPLD進行功能的實現(xiàn)。該方法采用CPLD產(chǎn)生驅(qū)動,按要求寫好VHDL代碼產(chǎn)生可執(zhí)行文件,通過JTAG接口下載到可編程器件中。實驗結(jié)果表明該電路穩(wěn)定可靠,在線陣CCD驅(qū)動電路中具有一定的代表性。

關(guān)鍵詞:CPLD;線陣CCD;驅(qū)動電路;圖像傳感器

中圖分類號:TP212文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)20-187-03

Design of Drive Circuit for CCD Camera System

XIANG Qinjian1,LIU Shuang1,LONG Zaichuan2

(1.College of Optoelectronic Information,University of Electronics Science and Technology of China,Chengdu,610054,China;

2.Chongqing Optoelectronics Research Institute,Chongqing,400060,China)

Abstract:At present,there are many different types in linear array CCD image sensor,and the timing-driven method is multiplex.The design of drive circuit is the key for application of CCD.Only to design right timing-pulse can CCD device work stably and reliably.There are some shortcomings in the routine driven approach.For linear CCD μPD795,after analysing the timing-pulse and Circuit logic,using the CPLD for the functional realization.This method does not use the routine approach but use CPLD to create pulse.VHDL code is written and then the operational file is produced,through the JTAG interface downloaded to programmable devices.The experimental results show that the circuit is stable and reliable.It is representative in linear array CCD circuit driver.

Keywords:CPLD;linear CCD;driving circuit;image sensor

0 引 言

電荷耦合器件(CCD)是一種轉(zhuǎn)換式圖像傳感器[1],是以電荷作為信號的MOS型半導(dǎo)體器件。其基本結(jié)構(gòu)是一種密排的 MOS電容器,能夠存儲由入射光在CCD光敏單元激發(fā)而產(chǎn)生的電荷,并且能在適當?shù)臅r鐘脈沖驅(qū)動下,把存儲的電荷以電荷包的形式定向傳輸轉(zhuǎn)移,從而完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。CCD具有體積小、質(zhì)量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等特點,在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度等方面的優(yōu)越性也是很多其他器件無法比擬的,目前CCD器件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到各種各樣的成像系統(tǒng)中,成為現(xiàn)代電子學(xué)和現(xiàn)代測試技術(shù)中最活躍的傳感器之一。

電荷耦合器件不同于普通的MOS型半導(dǎo)體器件,它需要在較復(fù)雜的驅(qū)動脈沖下才能正常工作。在CCD應(yīng)用技術(shù)中,用于產(chǎn)生CCD驅(qū)動時序的設(shè)計,是CCD數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計的關(guān)鍵之一[2]。產(chǎn)生驅(qū)動時序的方法多種多樣,常用的有下面幾種:EPROM方法、直接數(shù)字電路驅(qū)動方法、單片機、專用IC等,各有優(yōu)缺點。由于CPLD[3]的集成度高,在速度和時序控制上具有較大的優(yōu)勢,而且在電路設(shè)計完成后,可以根據(jù)需要將CPLD邏輯重新編程,因此選用CPLD來設(shè)計CCD的驅(qū)動時序是一種不錯的選擇。目前,大多數(shù)CCD工作時序設(shè)計都是采用CPLD來實現(xiàn)和完成的[4]。

1 μPD795結(jié)構(gòu)原理及驅(qū)動時序

1.1 μPD795結(jié)構(gòu)原理

μPD795是NEC公司生產(chǎn)的高靈敏度、低暗電流、具有內(nèi)置放大電路和采樣保持電路的線陣CCD圖像傳感器[5]。它內(nèi)部包含一列1 024像元的光敏二極管和兩列525位的電荷轉(zhuǎn)移寄存器。可以工作在5 V驅(qū)動(脈沖)和12 V電源條件下。同時μPD795具有出色的光電特性,很高的轉(zhuǎn)移效率,達到了99.996%。主要由三個模塊組成:表面積分單元,用于產(chǎn)生電荷信號;CCD移位寄存器,用于電荷信號轉(zhuǎn)移;輸出放大器,將電荷信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。

結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示,封裝形式為20腳DIP。中間一排是由光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列,有效單元為1 024位,其作用是接收外界的光信號,并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電荷信號,光敏陣列兩側(cè)分別為轉(zhuǎn)移柵和電荷轉(zhuǎn)移寄存器,在傳輸門時鐘信號ФTGO的作用下,像元的光電信號分別轉(zhuǎn)移到位于其兩側(cè)的CCD轉(zhuǎn)移柵。而后CCD的MOS電容中的電荷信號在ФIO的作用下從輸出端口串行輸出。

圖1 μPD795結(jié)構(gòu)原理圖

1.2 驅(qū)動時序分析

CCD器件需要三路以上的驅(qū)動時序脈沖。各驅(qū)動脈沖必須嚴格滿足相位時序要求,才能保證CCD器件正常工作。該芯片正常工作需要四路脈沖,分別為電荷轉(zhuǎn)移寄存器時鐘ΦIO、復(fù)位時鐘ΦRO、采樣保持時鐘ΦSHO以及傳輸門時鐘ΦTGO。他們之間的時序關(guān)系如圖2所示。

圖2 μPD795的驅(qū)動程序

CCD的驅(qū)動時序是一組周期性且關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號,它是影響CCD器件的信號處理能力、轉(zhuǎn)移效率、信噪比等性能的一個重要因素[6]。常規(guī)的驅(qū)動電路設(shè)計有以下幾種方法:面陣CCD通常采用相應(yīng)的專用驅(qū)動IC,但是難以調(diào)試,而且無法適應(yīng)于其他CCD器件;線陣CCD可采用數(shù)字電路驅(qū)動、單片機I/O口驅(qū)動,或者選用可編程邏輯器件針對特定器件的驅(qū)動時序要求完成驅(qū)動電路設(shè)計[7]。為了使CCD器件在各種光強信號下正常工作,需要設(shè)置不同的積分時間和相應(yīng)的驅(qū)動脈沖,傳統(tǒng)的單一驅(qū)動脈沖無法滿足工作要求,必須設(shè)計一種可提供多種驅(qū)動脈沖的電路。

2 系統(tǒng)框圖

整個驅(qū)動電路系統(tǒng)可以分為四個部分;如圖3所示,包括脈沖發(fā)生電路、分頻電路、控制與分頻電路以及脈寬調(diào)制電路。脈沖發(fā)生電路可由74LS00和7.5 MHz的晶振以及相應(yīng)的阻容電路組成,該部分相對簡單,電阻和電容的數(shù)目也不多。分頻電路可選用D觸發(fā)器/JK觸發(fā)器,如74LS(HC)74,74LS(HC)76,均帶置位、清零端,較易控制;采用同步計數(shù)器74LS163實現(xiàn)邏輯功能,該計數(shù)器為四位二進制可編程計數(shù)器。當然也可以采用82C54(10MHz可編程)?？刂齐娐酚搔蘌D4011,μPD4012,μPD4013以及74LS27組成。μPD4011作為外部控制信號可以起到調(diào)整頻率的作用。脈寬調(diào)制電路由與非門、或非門和帶有直接清零功能的二進制同步計數(shù)器組成。

圖3 驅(qū)動電路系統(tǒng)框圖

3 驅(qū)動電路

CCD圖像傳感器的驅(qū)動,簡言之就是通過驅(qū)動電路產(chǎn)生CCD正常工作所需的特定脈沖[8]。為了產(chǎn)生如圖2所示的各路驅(qū)動脈沖以及滿足傳感器的小型化和工作速度的要求,采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD實現(xiàn)其邏輯功能是一個較好的選擇。CPLD是基于乘積項結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)各種邏輯運算,全硬件結(jié)構(gòu),具有極大的靈活性和通用性,使用方便,硬件測試和實現(xiàn)快捷,開發(fā)效率高,成本低,上市時間短,技術(shù)維護簡單,工作可靠性好等優(yōu)點[9]。在該設(shè)計中,μPD795所需的驅(qū)動脈沖是在Max+PlusⅡ環(huán)境下完成設(shè)計并編譯、校驗后在線下載到CPLD器件內(nèi)部,實現(xiàn)邏輯功能。實際的驅(qū)動電路的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該例中的驅(qū)動電路并不復(fù)雜,所用的器件也有限。但若驅(qū)動脈沖種數(shù)繼續(xù)增加,則電路的復(fù)雜程度也要成比例增加[10]。該設(shè)計中采用EPM7064SLC44-7,該芯片由64個宏單元組成,是Altera公司生產(chǎn)的MAX7000S系列中芯片的一種,可以實現(xiàn)在線編程。在Max+PlusⅡ環(huán)境下進行了仿真,得到了滿意的結(jié)果后進行了硬件設(shè)計。

4 實驗結(jié)果

對制作PCB板用示波器和邏輯分析儀進行了測試,測量檔位為2 μs,測量CCD驅(qū)動波形ΦIO,ΦRO,ΦSHO如圖5所示?？v坐標中低電平為0 V,高電平為5 V。

圖4 CCD驅(qū)動電路原理結(jié)構(gòu)圖

圖5 驅(qū)動脈沖實測波形圖

5 結(jié) 語

時序電路中的CPLD,除提供CCD正常工作所需的時序外,還保留了部分引腳和功能模塊,可以作為增加某些新功能的需要。從該驅(qū)動電路與信號處理單元及上位機和顯示器構(gòu)成的完整線陣CCD相機系統(tǒng),以及從實測波形數(shù)據(jù)來看。該驅(qū)動電路在實際使用中穩(wěn)定可靠,達到了設(shè)計前的要求,這說明用CPLD構(gòu)成線陣CCD相機驅(qū)動電路是一種切實可行的方案。

參考文獻

[1]王慶有.CCD應(yīng)用技術(shù)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2000.

[2]米本和也.CCD/CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[3]潘松,黃繼業(yè).EDA技術(shù)使用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4]虞益挺.一種新型CCD驅(qū)動電路設(shè)計方法[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2005,18(2):388-390.

[5]NEC Inc.UPD795D_NEC_245751 Image Sensor Datasheet[EB/OL].http://www.nec.com,2008.

[6]陳赟,何惠陽.基于CPLD的μPD3575D線陣CCD驅(qū)動電路設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2006,19(6):2 526-2 528.

[7]林德輝,道克明,鐘紹俊.基于CPLD的線陣CCD驅(qū)動時序的設(shè)計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù),2008(4):22-23.

[8]李翰山,王澤民,雷志勇,等.基于CPLD的高速線陣TDI CCD驅(qū)動電路設(shè)計[J].計算機測量與控制,2007,15(1):122-126.

[9]Litwiller Dave.CCD vs CMOS:Facts and Fiction[J].Photonics Spectra,2001:154-158.

[10]黃正瑾,許堅.CPLD系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)入門與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[11] 王寶濤,亓夫軍,褚建平.線陣CCD數(shù)據(jù)采集與存儲[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(5):169-171.