基于PLD的CCD Sensor驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)

王驍男 譚 嵩 馮 顥

摘 要:在分析面陣CCD圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)序的基礎(chǔ)上,提出一種基于PLD(可編程邏輯器件)的新型面陣CCD驅(qū)動(dòng)邏輯的設(shè)計(jì)方法,旨在改善實(shí)時(shí)圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程,提高系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比和采集圖像的質(zhì)量。克服通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)方式的頻率低、速度慢的弱點(diǎn),充分發(fā)揮PLD器件的高度靈活性、天然的并行性和快速成型等特點(diǎn)。針對(duì)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(shè)計(jì)工具Quartus Ⅱ 8.0 s完成驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)、仿真,并且已經(jīng)將該方法成功應(yīng)用于工業(yè)攝像頭的設(shè)計(jì)和研制過(guò)程中,獲得良好的效果。

關(guān)鍵詞:可編程邏輯器件;CCD 圖像傳感器;驅(qū)動(dòng)電路;邏輯設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào):TP331.1+1

0 引 言

視覺(jué)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(tǒng)的發(fā)展,圖像傳感器應(yīng)用越來(lái)越廣泛。不僅用于攝錄像機(jī),安保產(chǎn)品、數(shù)碼相機(jī)及計(jì)算機(jī)鏡頭等,而且開(kāi)始用于傳統(tǒng)上的非視像產(chǎn)品,如移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)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(cuò)的選擇。

CCD(電荷耦合器件)作為一種光電轉(zhuǎn)換器件,應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)是產(chǎn)生正確的驅(qū)動(dòng)器信號(hào)和相應(yīng)的控制信號(hào)。不同型號(hào)的CCD,驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序千差萬(wàn)別:有高速CCD驅(qū)動(dòng),高幀率CCD驅(qū)動(dòng)[2,3],高分辨率CCD驅(qū)動(dòng),紫外CCD驅(qū)動(dòng),其中既有線陣型也有面陣型[6[CD*2]8]。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器都采用標(biāo)準(zhǔn)的TTL數(shù)字集成電路、單片機(jī)或者EPROM器件等,這種電路體積大、電路復(fù)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(qū)動(dòng)‐[9],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(zhuǎn)移、方像素、固態(tài)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(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘V1,V┆2A,V┆2B,V3,V4。水平寄存器有4個(gè)驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,2組H1,H2。圖1表明水平同步信號(hào)H獶、垂直同步信號(hào)V獶、Т怪鼻動(dòng)信號(hào)的時(shí)序關(guān)系。圖2為上述信號(hào)的局部放大的相位關(guān)系。驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)序要求如表1所示。

2 ICX285AL驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)

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

[BT3]2.1 水平同步信號(hào)獺璂和垂直同步信號(hào)玍璂

由ICX285AL原理可知,基本時(shí)鐘CLK循環(huán)周期應(yīng)當(dāng)設(shè)為1 790。水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)H1,H2和垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1,V┆2A,V┆2B,V3,V4,以及轉(zhuǎn)移信號(hào)玈UB在此基礎(chǔ)上建立相互的時(shí)序關(guān)系。H1與H2相位相差180°,V

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

設(shè)置水平同步信號(hào)H獶和垂直同步信號(hào)V獶的關(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(shù)為1 063-3=1 060。圖4表明水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)H1與水平同步信號(hào)H璂的時(shí)序關(guān)系。И

水平驅(qū)動(dòng)信號(hào)H1、H2 ,水平同步信號(hào)H獶與基本時(shí)鐘信號(hào)clk之間的時(shí)序關(guān)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(hào)SUB

刷新信號(hào)SUB表示Sensor每傳輸一行圖像信號(hào),就會(huì)有一個(gè)刷新脈沖產(chǎn)生。參照ICX285AL原理,系統(tǒng)的基本計(jì)數(shù)器Counter計(jì)數(shù)范圍從1~161之間的值時(shí),SUB為“0”,低電平;Counter計(jì)數(shù)范圍從161~287之間的值時(shí),SUB為“1”,高電平;當(dāng)為其他值時(shí),SUB為“0”。圖6為刷新信號(hào)SUB與垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)序關(guān)系的仿真結(jié)果。

2.3 四相位驅(qū)動(dòng)脈沖

根據(jù)四相CCD電荷轉(zhuǎn)移的原理,CCD中的電荷根據(jù)四相時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。設(shè)計(jì)過(guò)程中必須保證四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)玍1,V2,V3,V4的時(shí)序關(guān)系。圖7所示為四相驅(qū)動(dòng)信號(hào)與水平同步信號(hào)的仿真波形。

3 驅(qū)動(dòng)電路CPLD 實(shí)現(xiàn)

采用Altera公司的CPLD芯片EPM3256AQC208ね瓿蒀CD 驅(qū)動(dòng)電路,方案已應(yīng)用于工業(yè)攝像頭系統(tǒng)。利用泰克500 MHz示波器實(shí)測(cè)波形如圖8所示,圖9為水平驅(qū)動(dòng)和垂直驅(qū)動(dòng)信號(hào)局部放大波形。時(shí)序及時(shí)延參數(shù)均滿足要求,工作穩(wěn)定可靠。基于PLD技術(shù)的方案,易于實(shí)現(xiàn)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(tái)。