EMCCD相機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)的VHDL設(shè)計

摘 要： 近年來EMCCD被越來越多地用于天文觀測，國內(nèi)EMCCD 相機(jī)的研制和觀測也在加速。介紹了基于TI的EMCCD TC253相機(jī)的數(shù)字控制系統(tǒng)及其設(shè)計方法。首先對TC253以及模擬信號處理器AD9845B的工作原理及控制要求進(jìn)行了分析。重點介紹了在Quartus Ⅱ的開發(fā)環(huán)境下，使用VHDL語言與FPGA對該圖像采集系統(tǒng)的數(shù)字控制部分進(jìn)行分析與設(shè)計過程，并給出系統(tǒng)仿真波形圖。最后在所設(shè)計的硬件電路上進(jìn)行了測試，給出了關(guān)鍵控制信號的實測波形。通過實測時鐘波形與EMCCD器件要求波形的時序比較分析，得出了該實際系統(tǒng)對VHDL程序中信號時序的修正量，從而獲得了滿意的EMCCD驅(qū)動時鐘。

關(guān)鍵字： CCD； 成像系統(tǒng)； 時序發(fā)生器； FPGA； VHDL語言

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）12?0113?05

0 引 言

電荷耦合器件（CCD）現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于天文圖像。傳統(tǒng)的CCD讀出較慢且在高幀率的情況下有很高的讀出噪音，這限制了它在高時間分辨率天文學(xué)的應(yīng)用[1]。21世紀(jì)初，英國的E2V公司和美國TI公司各自獨立地研發(fā)了一種具有新型讀出結(jié)構(gòu)的CCD器件，即電子倍增CCD（Electron Multiplying Charge Coupled Device），簡記為EMCCD。這是新一代高質(zhì)量微光成像器件。與傳統(tǒng)的CCD相比，它采用了片上電子增益技術(shù)，利用片上增益寄存器使圖像信息在電子轉(zhuǎn)移過程中得到放大，這使得它在很高的讀出速率下仍具有相對很低的讀出噪聲，能在微光源下高分辨率成像[2]。

EMCCD的這些特性，使得它能對微弱光信號進(jìn)行快速的成像。近年來EMCCD被越來越多地運用到了天文觀測，國外研究人員采用E2V公司的EMCCD器件L3 VISION CCD設(shè)計的相機(jī)取得了極好的觀測效果，并進(jìn)行了光子技術(shù)成像實驗[3?4]。而國內(nèi)對天文用EMCCD相機(jī)的研制與應(yīng)用還處于起步階段[5]。目前，實驗室正在研制一套基于EMCCD的二維天文光子計數(shù)實驗成像系統(tǒng)，該成像系統(tǒng)可使用TI公司的EMCCD器件TC253和TC285作為圖像傳感器。

本文針對使用TC253器件構(gòu)成的圖像采集系統(tǒng)[6]，主要介紹EMCCD的數(shù)字控制方案和設(shè)計方法。由于硬件系統(tǒng)使用Altera公司EP3C16Q240C8N FPGA芯片，所以該數(shù)字系統(tǒng)是在Altera Quartus Ⅱ 8.0開發(fā)環(huán)境下采用VHDL語言來進(jìn)行設(shè)計并實現(xiàn)整個系統(tǒng)的數(shù)字控制部分。本文闡述了該數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計思想以及VHDL的實現(xiàn)過程，給出了關(guān)鍵信號的仿真與實測波形，并對結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 EMCCD圖像傳感器與模擬信號處理器的

控制要求

模擬信號處理器AD9845B是一款針對CCD應(yīng)用的處理器AD9845A的升級版，亦稱為模擬前端處理器（AFE）。它具有30 MHz單通道結(jié)構(gòu)，用于面陣CCD隔行掃描和逐行掃描信號的調(diào)理和采樣[8]。根據(jù)其與CCD對應(yīng)的時序關(guān)系，共需要設(shè)置6個時鐘驅(qū)動信號，分別是相關(guān)雙采樣采集參考電平的時鐘SHP、相關(guān)雙采樣采集數(shù)據(jù)信號電平的時鐘SHD、讀出數(shù)據(jù)時鐘DATACLK、黑電平箝位時鐘CLPOB、輸入箝位時鐘CLPDM以及消隱數(shù)據(jù)時鐘PBLK[9]。6個驅(qū)動信號按照圖2所示的時序進(jìn)行設(shè)置，這與AD9845B數(shù)據(jù)手冊所提供的時序稍有不同。

2 數(shù)字系統(tǒng)總體設(shè)計思想

由EMCCD和ADC的數(shù)據(jù)手冊并結(jié)合該項目的要求可知，該數(shù)字控制系統(tǒng)就是要實現(xiàn)EMCCD圖像傳感器在幀轉(zhuǎn)移讀出模式和ODB清零模式下的驅(qū)動時鐘信號，以及在幀轉(zhuǎn)移讀出模式下，驅(qū)動ADC正常工作的時鐘信號。幀轉(zhuǎn)移讀出模式有4種水平讀出頻率，分別為12.5 MHz，6.25 MHz，3.125 MHz，1.562 5 MHz，標(biāo)準(zhǔn)讀出頻率為12.5 MHz，另外三種讀出頻率，為了對比測試圖像采集的效果而設(shè)置的。同時要求可以控制曝光積分時間，選擇是否超越讀出（Overscan）。根據(jù)VHDL語言的特點，采用頂層模塊控制底層模塊的方式，即以頂層邏輯控制各個底層邏輯的方式來實現(xiàn)該數(shù)字控制系統(tǒng)的功能。這種設(shè)計思想在實驗室設(shè)計的RDCCD相機(jī)[10]、KAISS相機(jī)[11]中都使用過，控制效果良好，程序結(jié)構(gòu)清晰。

在頂層模塊中，定義了一些與底層模塊連接的端口，以及數(shù)字控制系統(tǒng)與外部硬件連接的端口，設(shè)置了頂層模塊與各底層模塊端口匹配的方式。生成了各個模塊需要的各種時鐘信號。以及協(xié)調(diào)了幀轉(zhuǎn)移讀出模式與ODB清零模式的切換。

在底層模塊中主要是兩個子模塊：ODB清零和幀轉(zhuǎn)移讀出。每個子模塊都有其獨立的輸入時鐘信號與輸出端口，在相應(yīng)模塊被選中執(zhí)行時能順利完成各自任務(wù)，生成正確的輸出時鐘信號。

3 數(shù)字系統(tǒng)的實現(xiàn)與仿真

該設(shè)計是在Altera Quartus Ⅱ 8.0的開發(fā)環(huán)境下，分別對頂層模塊和底層模塊進(jìn)行VHDL編程設(shè)計與仿真的。下面將介紹各模塊的具體設(shè)計、仿真過程和一些實現(xiàn)技巧。

3.1 頂層模塊的設(shè)計

3.2 底層模塊的設(shè)計

底層模塊包含ODB清零子模塊與幀轉(zhuǎn)移讀出子模塊，有時亦稱為ODB清零工作模式與幀轉(zhuǎn)移讀出工作模式。下面分別介紹這兩個子模塊的具體設(shè)計過程與仿真結(jié)果。

3.2.1 ODB清零模式

3.2.2 幀轉(zhuǎn)移讀出模式

根據(jù)TC253的數(shù)據(jù)手冊，將該EMCCD器件的成像與幀轉(zhuǎn)移讀出模式劃分為4個階段，按順序分別是清零階段S1、曝光階段S2、垂直轉(zhuǎn)移階段S3、水平輸出階段S4。在頂層生成的4個時鐘信號，分別用作這4階段的控制時鐘，使之能夠準(zhǔn)確地形成并輸出滿足TC253所需的各信號。

4 實測結(jié)果分析與設(shè)計修正

5 結(jié) 語

通過對所用EMCCD器件TC253和模擬信號處理器AD9845B的分析，結(jié)合成像系統(tǒng)硬件的具體情況，采用頂層控制底層的VHDL模塊設(shè)計方法，完成了基于FPGA的EMCCD數(shù)字控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)工作。仿真和實測的信號波形在邏輯與時序兩方面都完全達(dá)到了成像控制與圖像采集系統(tǒng)的控制要求。這說明對基于TC253和AD9845B的EMCCD成像系統(tǒng)的分析及其時鐘信號的VHDL設(shè)計方法是正確的。另外，在較高頻率下，信號經(jīng)過多級輸出或驅(qū)動電路后，可能會出現(xiàn)時序偏差。采用實測的方法獲得這個偏差，以此作為VHDL信號時序的修正量，實現(xiàn)了時鐘驅(qū)動波形的正確輸出。這也突顯以VHDL進(jìn)行FPGA邏輯與時序控制電路設(shè)計的優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

[1] TULLOCH S M， DHILLON V S. On the use of electron?multiplying CCDs for astronomical spectroscopy [J]. Mon. Not. R. Astron. Soc.， 2011， 411（1）： 211?225.

[2] MACKAY C D， STALEY T D. High?speed， photon counting CCD cameras for astronomy [J]. SPIE， 2010， 7742： 2?10.

[3] BASDEN A G， HANIFF C A， MACKAY C D， et al. A new photon?counting spectrometer for the COAST [J]. SPIE， 2004， 5491： 677?685.

[4] DOWNING M， HUBIN N. A dedicated L3Vision CCD for adaptive optics applications [J]. Astrophysics and Space Science Library， 2006， 336： 321?328.

[5] 段帷，趙昭旺.基于EMCCD的成像系統(tǒng)的構(gòu)建[J].天文研究與技術(shù)，2006（4）：387?393.

[6] LI B， SONG Q， JIN J， HE C. Circuit design of an EMCCD camera [J]. SPIE， 2012， 8453： 20?26.

[7] Texas Instruments. TC253 CCD image sensor data sheet （Rev. B） [EB/OL]. [2002?05?28]. http：//www.ti.com/ product/tc253.

[8] Analog Devices. Complete 12?bit 30 MSPS CCD signal processor?AD9845B [EB/OL]. [2006?02?15]. http：//www.analog.com.

[9] 陳小明，李彬華.EMCCD時序發(fā)生器的VHDL設(shè)計[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（1）：72?75.

[10] LI B， SONG Q， HE C， et al. Method to implement the CCD timing generator based on FPGA [J]. SPIE， 2010， 7742： 21?29.

[11] 和琳，李彬華，尚媛園，等.行間轉(zhuǎn)移型面陣CCD數(shù)字控制系統(tǒng)的VHDL設(shè)計[J].天文研究與技術(shù)，2011，8（4）：380?387.

[12] 金建輝，李彬華，陳小明.EMCCD電荷倍增驅(qū)動電路分析與PCB設(shè)計[J].天文研究與技術(shù)，2012，9（3）：316?322.

[13] 段帷.基于EMCCD的成像系統(tǒng)[D].北京：中國科學(xué)院國家天文臺，2006.