基于FPGA的高幀頻面陣CCD驅動控制設計

孫正磊 ，王曉東 ，曲洪豐

（1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學院研究生院，北京100039）

電荷耦合器件 CCD（Charge Coupled Device)自 20世紀70年代由貝爾實驗室發明以來，因其分辨率高、測量誤差小等優點，被廣泛應用于各種成像儀器中。CCD按照成像維數分為線陣與面陣兩種類型。線陣CCD因其本身只有一維，需要進行推掃才能形成二維圖像，主要用于光譜分析與圖像掃描等領域；面陣CCD因其本身就能形成二維圖像，而被廣泛應用于數碼相機、攝像機及工業機器人等領域[1]。

面陣CCD按電荷讀出方式又分為全幀轉移、幀轉移、行間轉移三種，其中行間轉移CCD因其不需要機械快門、讀出速度最快等優點，一直被作為高幀頻CCD相機的首選。

CCD的驅動時序產生方法主要有以下四種：直接數字電路（IC）驅動法、單片機驅動法、EPROM 驅動法、可編程邏輯器件法等[2]。近些年來，隨著可編程器件的高速發展，FPGA因其高速并行處理方式，極強的編程靈活性，十分適合用來產生CCD的驅動時序，加之其能很好地避免其他驅動方式的弊端，因而已經成為CCD驅動電路的首選。

本文針對功耗體積要求嚴格的高幀頻高分辨率CCD相機應用場合，選用FPGA作為高速行間轉移CCD的驅動控制，在減小系統體積，降低系統功耗的同時，完成控制任務。

1 KAI-1020結構及特點

KAI-1020是美國柯達公司生產的行間轉移型面陣 CCD，總像元數 1 028（H）×1 008（V），其中有效像元1 000(H)×1 000(V)，像元尺寸 7.4 μm(V)×7.4 μm(H)，有效成像面積 10.5 mm[2-3]。

KAI-1020具有逐行讀出和交錯讀出（只讀取CCD 1 000行成像有效單元中的500行）兩種方式，最大像元讀出速率40 MHz，可以選擇單通道或雙通道讀出。采用逐行掃描，雙通道讀出方式，圖像分辨率為1 000（H）×1 000（V），幀頻可達 48幀/秒，本文設計即為完成此工作模式。

為保證KAI-1020在高幀頻工作模式下的信號質量，其內部集成了相關雙采樣電路。成像區在感光后，將光信號轉化為電荷包，在驅動信號的控制下，將電荷包轉移到鄰近的存儲區，依次將電荷信號轉移、讀出，送入內部集成的CDS電路采樣后輸出。

2 硬件電路設計

KAI-1020工作時所需驅動信號較為復雜，需要6種偏置電壓，電壓加載順序也有一定要求。將驅動電路分為電壓產生、FPGA控制、時序驅動器3個模塊。電壓產生模塊用來產生FPGA及CCD工作需要的各種偏置電壓；FPGA控制模塊分為電壓控制模塊和時序發生模塊，分別用來控制CCD電壓上電順序和CCD驅動時序產生；時序驅動器用來匹配FPGA端口電壓與CCD驅動信號電壓。驅動硬件結構如圖1所示。

2.1 電壓產生模塊

CCD作為高精度的圖像傳感器，對電源電壓穩定性及電路噪聲水平要求較高。DC/DC電源效率高，但紋波大。LDO電源穩定性好，但壓差大時發熱量也大，會增加系統功耗及電路噪聲[4]。

KAI-1020因內部結構要求，需要進行三步上電，FPGA作為控制單元，+3.3 V、+2.5 V、+1.2 V的工作電壓需要隨系統上電加載。

相機母線電壓為+12 V，為保證CCD正常工作，降低系統功耗，減少CCD高速工作時電壓紋波及電路噪聲造成的影響，電壓產生模塊采用先大壓差DC/DC變換，再小壓差線性穩壓，由FPGA控制上電順序的方案。電源模塊電壓變換過程如圖2所示。

2.2 FPGA控制模塊

為相機小型化考慮，FPGA選用Xilinx公司Spartan-3AN系列中的XC3S400AN。XC3S400AN資源豐富，擁有40萬門電路和多達311個用戶I/O，內部集成了4 Mbit Flash作為程序存儲區，不需要外接配置芯片，十分適合對空間敏感和安全性要求較高的場合。

相機加電后，FPGA完成配置，進入工作狀態，接到上電命令后，通過控制穩壓器的使能端控制電壓加載，完成CCD三步上電。FPGA控制流程如圖3所示。

-9 V電壓加載后，V1MID與 V1MID（-1.2 V）通過對地串聯的兩個二極管導通形成。

2.3 時序驅動模塊

XC3S400AN每個BANK都可配置管腳電壓為LVTTL或 LVCOMS，但 CCD驅動時序電壓為 0～5 V，所以需要在FPGA與CCD之間增加電平轉換芯片。

TI公司的SN74LV8T245是一款8 bit轉換電壓可調、輸出三態、雙供電總線收發器，其內部分為AB兩路，由DIR控制數據流向為A到B或B到A，兩路電壓均可配置為1.65 V～5.5 V。將 DIR配置為 1，數據流向為 A到B，A路接+3.3 V電壓，接口與 FPGA驅動信號連接，B路接+5 V電壓，接口與CCD驅動電容連接，完成FPGA與CCD驅動電壓的匹配。

3 軟件設計

3.1 時序分析

KAI-1020工作在逐行掃描、雙通道讀出模式下，主要驅動信號有 V2B、V2A、V1、H1、H2、SH、R、SA、SB、T。V2B為幀轉移信號，下降沿時，CCD將感光單元中的電荷包轉移到存儲單元中；V2A、V1為垂直轉移信號，負責將存儲單元中每一行的電荷包轉移到讀出寄存器中；H1、H2為水平轉移信號，負責將每一行中的每個像元從寄存器中讀出；SH為電子快門信號，SH的一個高脈沖可以將CCD之前曝光積累的電荷清零，電荷的積累時間變為從SH的下降沿到V2B的下降沿，從而實現控制曝光時間；R、SA、SB、T為相關雙采樣的控制時序，R與 T同相，與SA、SB有一定的相位差，其具體時序關系如圖4所示。

KAI-1020驅動信號中，水平轉移信號與CDS信號頻率最高，為 40 MHz，占空比分別為 50%和 33.33%，這幾個信號之間存在一定的相位關系，通過更高頻的信號分頻實現。相機的工作時鐘為30 MHz，經FPGA的DCM進行8倍頻后，再將信號六分頻并進行移位得到不同相位的40 MHz信號。對于垂直轉移信號及電子快門等低頻信號，通過對40 MHz的信號計數分頻實現。實現過程如圖5所示。

3.2 邏輯設計

KAI-1020工作在雙端口讀出模式時，左右兩面的數據分左右兩路讀出。讀出寄存器中，左右兩路各有8個空像元，水平轉移時序需要重復522次，才能將一行圖像數據從左右兩路讀出。為保證讀出行的電荷不對下一行電荷造成影響，一般水平轉移序列至少重復523次，垂直轉移時序需要重復1 008次，將1 008行數據依次從存儲區轉移到讀出寄存器。

將驅動時序通過狀態機實現，幀轉移由狀態s0表示，垂直轉移和水平轉移由s1表示，通過計數器計數完成延時要求，狀態轉換過程如圖6所示。

在垂直轉移信號變化時，水平轉移信號H1、H2需要分別保持高電平和低電平。在狀態s1中，設置信號H_en，通過將 H_en與 40 MHz信號進行“或”運算，得到H1信號，將H_en與 40 MHz信號“或”運算后再取反，得到H2信號。

電子快門信號SH需要加載于某行電荷信號讀取完成后，V1與 V2A信號上升沿之前，H1、H2在此期間需要保持變化。當計數器cnt3計到曝光所需的行數T后，狀態機跳轉到狀態s2，完成SH信號延時后跳轉回s1，實現電子快門1-1007級可調。

3.3 邏輯仿真

通過時序分析，采用VHDL語言進行程序設計，在Xilinx公司的集成開發環境ISE 10.1中編寫源代碼，并進行仿真，仿真波形如圖7所示。

圖7(a)為整體仿真波形的一部分，V2B、V2A、V1在幀轉移階段完成后，V2B保持低電平，V2A、V1開始重復；圖7(b)為水平轉移信號與相關雙采樣信號的部分仿真波形，H1、H2反相，R、SA、SB、T 相位關系與時序要求相同，當V2A、V1變化時，H1為高電平，H2為低電平。

4 實驗結果

在仿真通過后，對VHDL源代碼進行綜合和實現，生成可編程文件，將該文件下載到FPGA后，控制CCD產生圖像信號，經過后端處理電路，將模擬圖像信號轉化為數字信號，并對兩路輸出的圖像信號進行拼接，形成一行圖像，通過高速串行LVDS信號將圖像信號發送至數據接收端，解碼LVDS信號，通過采集卡在上位機形成圖像。經實際成像測試，CCD在設計的軟硬件驅動下，幀頻可達 48 幀/秒，圖像分辨率為 1 000（H）×1 000（V），并能通過電子快門對曝光時間進行1-1007級調節，靈活控制圖像亮度。

使用FPGA作為CCD KAI-1020的控制單元及時序發生器，可以十分方便地產生各種控制及驅動信號，完成CCD上電順序控制及復雜驅動時序產生，其強大的可編程和并行處理能力也十分利于系統擴展和升級。

[1]陶明慧，張星祥，張宇，等.KAI-2093型面陣CCD多模式驅動時序設計[J].液晶與顯示，2011，26（1）：105-110.

[2]周根榮，姜平.一種基于高速超微型單片機的CCD驅動電路設計[J].電子技術應用，2006，32(3)：105-107.

[3]Eastman Kodak Company.KODAK KAI-1020 Image Sensor[M].New York：Eastman Kodak Company，2010.

[4]周望.CCD數字相機的電源系統設計[J].電子技術應用，2008，34(2)：60-62，65.