FPGA和ARM在線陣CCD信號采集器當中的設計使用

鄭靜雅

摘要：本文針對線陣CCD信號采集器提出了基于FPGA和ARM的設計方法，選用了S3C2440和XC3S500E芯片進行了信號采集器的硬件電路的設計，采用了VHDL和C編程語言進行軟件設計，并進行相關的實驗設計。設計結果表明，這種信號采集器能夠完成CCD信號的采集、存儲、處理等操作，具有信號質量好、人機交互性優良、傳輸速率高等優點，具有很好的實際應用價值。

關鍵詞：ARM FPGA 信號采集器

中圖分類號：TP316.81 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）07-0127-01

CCD信號采集器具有靈敏度高、精度高、視場大等特點被廣泛的應用在了監測、非接觸測量等當中。CCD信號采集器的正常工作需要準確的脈沖信號來驅動，一般傳統的方法采用了分立式和單片機兩種驅動方式，這兩種方式由比如調試困難、驅動頻率低等特點，并不能夠滿足實際的應用需求。并且目前大多數的線陣CCD信號采集系統多數采用了USB接口，不能實現遠距離數據的傳輸。

1 基于FPGA和ARM的線陣CCD信號采集器方案設計

線陣CCD信號采集器采用FPGA和ARM設計，選用XC3S500E（FPGA）和S3C2440（ARM）這兩款芯片。XC3S500E有10476個邏輯單元，1164個可配置的邏輯模塊，73Kb的分布式RAM，360Kb塊RAM，20個能夠選擇的乘法器等。S3C2440則是一款功耗低、性能高、成本低的微處理器，能夠完成數據的精準傳輸。

基于FPGA和ARM的線陣CCD信號采集器由線陣CCD，模擬前端處理模塊，電平匹配模塊，ARM處理傳輸模塊，FPGA采集存儲模塊等組成，組成框圖如圖1所示。

FPGA采集存儲模塊為CCD信號采集器提供脈沖驅動時序信號，CCD輸出信號進入模擬前端處理模塊，輸出的數字信號按照奇偶幀排練，分別被寫入到FPGA的2個雙口的RAM當中去，雙口RAM當中的信號由ARM處理器模塊獲取，通過網絡發送到上位機當中去。

2 CCD信號采集器電路設計

2.1 線陣CCD

本文設計的采集器選用了TCD1209線陣CCD，該CCD具有2048個有效的像素，最高的工作頻率能夠達到20MHz。CCD需要轉移脈沖、相位脈沖、復位脈沖、鉗位脈沖等脈沖信號驅動其正常的工作。脈沖信號由XC3S500E產生，通過輸入輸出管腳來提供驅動信號，這種驅動信號的提供方式操作簡單，并且易于調試。

2.2 電平匹配電路

需要在TCD1209D和FPGA中間加電平匹配信號，這樣 FPGA的I/O端口能夠提供LVCMOS電平信號才能夠轉變成TCD1209D需要的5V脈沖信號。本文采用了一款融合亞微米技術的CMOS反向器74VHCT04A做為電平匹配芯片，該芯片能夠提供6路反向輸出正好能夠滿足CCD當中6路驅動信號的，并且驅動頻率也能夠完全滿足要求。

2.3 前端處理電路設計

采用AD9945芯片對TCD1209D當中輸出的模擬圖像信號進行處理，AD9945作為一款應用在電荷耦合器件當中的模擬信號處理芯片，采樣頻率達到40MHz，芯片內部主要有低噪聲鉗位電路、可調增益放大器、采用電路、數模轉換器等組成，通過AD9945提供的驅動信號能夠進行芯片的配置。

2.4 網絡接口電路的設計

選用DM900作為網絡接口芯片，該芯片能夠完成信號的遠距離傳輸，DM200和S2C2440 ARM處理器的控制總線、地址總線、數據總線等相連，同時和RJ45以太網接口相連。

3 線陣CCD信號采集器實驗分析

線陣CCD信號采集器的實驗系統由CCD信號采集器和上位機側視平臺兩個部分組成，其中上位機測試平臺又是由VHDL編寫的上位機和Ethereal軟件組成。Ethereal軟件是一款能夠抓取采集器發送的UDP數據包的嗅探軟件，而VHDL編寫的上位機的功能主要是將高低位8位數字信號再還原成16位數據，Ethereal將抓取到的數據導入到上位機當中，從而完成顯示數據。

本采集器當中的FPGA開發環境是XILINX ISE 4.1，進行實驗驗證時候需要對TCD1209D需要的每個脈沖信號進行測試，為了驗證驅動信號的正確與否，可以通過測試TCD1209D的輸出端的信號，驗證提供的脈沖驅動信號正確。

然后通過對線陣CCD信號采集系統的實驗，驗證線陣CCD信號采集器的工作狀態時候正常，遮擋CCD部分，觀察上位機上的數據，數據如下圖所示，結果表明，基于FPGA和ARM的線陣CCD信號采集器正確的采集、存儲、處理了信號。

4 結語

本文基于FPGA和ARM設計了線陣CCD信號采集器，闡述了系統的設計體系，分析了電路當中的模塊結構，該信號采集器人機交互良好并且組網方便快捷，在工業生產監測當中能夠得到廣泛的使用。

參考文獻

[1]陳曦.基于ARM和FPGA的高速便攜式數據采集前端的設計.南京：南京航空航天大學，2010.

[2]孫鑫明.基于以太網的大型鍛件多路超聲檢測器的研究.天津：天津工業大學，2013.