基于PLD的CCD Sensor驅動邏輯設計

王驍男 譚 嵩 馮 顥

摘 要:在分析面陣CCD圖像傳感器驅動時序的基礎上,提出一種基于PLD(可編程邏輯器件)的新型面陣CCD驅動邏輯的設計方法,旨在改善實時圖像采集系統的設計流程,提高系統的性價比和采集圖像的質量。克服通常單片機驅動方式的頻率低、速度慢的弱點,充分發揮PLD器件的高度靈活性、天然的并行性和快速成型等特點。針對Sony公司的面陣CCD芯片ICX285AL ,利用Altera公司的CPLD芯片 EPM3256AQC208和大型仿真設計工具Quartus Ⅱ 8.0 s完成驅動邏輯設計、仿真,并且已經將該方法成功應用于工業攝像頭的設計和研制過程中,獲得良好的效果。

關鍵詞:可編程邏輯器件;CCD 圖像傳感器;驅動電路;邏輯設計

中圖分類號:TP331.1+1

0 引 言

視覺信息是客觀世界中非常豐富,非常重要的部分。隨著多媒體系統的發展,圖像傳感器應用越來越廣泛。不僅用于攝錄像機,安保產品、數碼相機及計算機鏡頭等,而且開始用于傳統上的非視像產品,如移動電話、個人數字助理(PDA)等。傳送優良的圖像,兼顧體積小、重量輕、噪聲低、速度快等優點,CCD圖像傳感器是一個不錯的選擇。

CCD(電荷耦合器件)作為一種光電轉換器件,應用的關鍵技術是產生正確的驅動器信號和相應的控制信號。不同型號的CCD,驅動信號時序千差萬別:有高速CCD驅動,高幀率CCD驅動[2,3],高分辨率CCD驅動,紫外CCD驅動,其中既有線陣型也有面陣型[6[CD*2]8]。傳統的驅動器都采用標準的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‐[9],較好地解決了這些問題。

1 ICX285AL時序分析

ICX285AL是Sony公司的一款行間轉移、方像素、固態面陣圖像傳感器[10],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個驅動時鐘V1,V┆2A,V┆2B,V3,V4。水平寄存器有4個驅動時鐘,2組H1,H2。圖1表明水平同步信號H獶、垂直同步信號V獶、Т怪鼻動信號的時序關系。圖2為上述信號的局部放大的相位關系。驅動脈沖的時序要求如表1所示。

2 ICX285AL驅動邏輯設計

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

[BT3]2.1 水平同步信號獺璂和垂直同步信號玍璂

由ICX285AL原理可知,基本時鐘CLK循環周期應當設為1 790。水平驅動信號H1,H2和垂直驅動信號V1,V┆2A,V┆2B,V3,V4,以及轉移信號玈UB在此基礎上建立相互的時序關系。H1與H2相位相差180°,V

[HT6]注:玍璗:讀出時鐘信號(Readout Clock);玊﹚h:脈沖高電平保持時間;玊﹚l:脈沖低電平保持時間;玊璻: 脈沖上升沿時間;玊璮: 脈沖下降沿時間。[HT5SS]

設置水平同步信號H獶和垂直同步信號V獶的關系,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sensor采集的圖像有效行數為1 063-3=1 060。圖4表明水平驅動信號H1與水平同步信號H璂的時序關系。И

水平驅動信號H1、H2 ,水平同步信號H獶與基本時鐘信號clk之間的時序關系如圖5所示,完全滿足H獶的相位要求。オ

[XC<49t3.tif>]

2.2 刷新信號SUB

刷新信號SUB表示Sensor每傳輸一行圖像信號,就會有一個刷新脈沖產生。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,SUB為“0”,低電平;Counter計數范圍從161~287之間的值時,SUB為“1”,高電平;當為其他值時,SUB為“0”。圖6為刷新信號SUB與垂直驅動信號時序關系的仿真結果。

2.3 四相位驅動脈沖

根據四相CCD電荷轉移的原理,CCD中的電荷根據四相時鐘信號驅動,實現電荷轉移。設計過程中必須保證四相驅動信號玍1,V2,V3,V4的時序關系。圖7所示為四相驅動信號與水平同步信號的仿真波形。

3 驅動電路CPLD 實現

采用Altera公司的CPLD芯片EPM3256AQC208ね瓿蒀CD 驅動電路,方案已應用于工業攝像頭系統。利用泰克500 MHz示波器實測波形如圖8所示,圖9為水平驅動和垂直驅動信號局部放大波形。時序及時延參數均滿足要求,工作穩定可靠。基于PLD技術的方案,易于實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,同時可通過編譯平臺。