| 标题 | 基于CPLD的面阵CCD驱动电路设计 |
| 范文 | 孙茂多,董全林,赵伟霞,党玉杰,杨娅姣 摘 ?要： 在透射电子显微镜相机的研制中，针对SONY行间转移面阵CCD ICX285AL图像传感器，设计了一款基于CPLD的面阵CCD驱动电路。以Altera公司的CPLD芯片EPM570T100作为时序发生器产生CCD驱动信号和相关双采样控制信号，并搭建了驱动器电路和直流偏压电路。在Quartus Ⅱ 13.1开发环境下利用Verilog HDL语言编程，并利用ModelSim SE 10.1进行仿真测试。实验结果表明，以CPLD为核心的驱动电路能够产生符合CCD要求的驱动脉冲和偏置电压，可稳定地输出CCD视频信号。 关键词： 透射电子显微镜； 照相机； CCD； 驱动电路； CPLD 中图分类号： TN16?34； TP212 ? ? ? ? ? ? ?文献标识码： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号： 1004?373X（2014）23?0142?04 Design of array CCD driving circuit based on CPLD SUN Mao?duo， DONG Quan?lin， ZHAO Wei?xia， DANG Yu?jie， YANG Ya?jiao （School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering， Beihang University， Beijing 100191， China） Abstract： In design of a TEM camera with CCD ICX285AL as the image sensor， an array CCD driving circuit based on CPLD was designed. Altera′s EPM570T100 is used as a time?sequence generator to generate CCD driving signal and CDS?control signal. A driver circuit and DC bias circuit were designed to provide voltage transformation， and to generate DC source and bias voltage. Verilog HDL is adopted to compile program under Quartus II 13.1 to implement logic circuits in CPLD. Simulations were conducted in the ModelSim 10.1. Experiment results indicate that the designed driving circuit can generate the driving pulse and bias voltage which meet the demands of CCD， and can steadily output CCD video signal. Keywords： TEM； camera； CCD； driving circuit； CPLD 0 ?引 ?言 电荷耦合器件（CCD）是一种可应用于图像传感、信号处理、数字存储的半导体光电传感器，与传统摄像器件相比，不仅具有灵敏度高、速度快、动态范围宽、量子转换效率高、输出噪声低、控制方便、实时传输等优点，而且还具有很高的空间分辨率[1]，因此广泛应用于电子显微镜微光成像、遥感成像、卫星监测等领域[2]。 在透射电子显微镜（TEM）中，成像依赖于电子轰击闪烁体发光，亮度较低，且光谱集中在500～600 nm之间[3]。针对TEM的成像特点，选择ICX285AL作为图像传感器，设计了一款基于CPLD的面阵CCD驱动电路，以提供满足ICX285AL工作要求的直流偏置电压和驱动脉冲，在有限状态机的控制下，以12.5 MHz的频率不间断输出图像信号，且曝光时间可调，满足了实用要求，为TEM CCD相机的后续设计和改进奠定了基础。 1 ?目标CCD特性 ICX285AL是SONY公司的一款行间转移科学级单色面阵CCD图像传感器，像元尺寸为6.45 μm×6.45 μm，总像元数为1 434（H）×1 050（V），由于采用EXview HAD CCD技术，在500～600 nm之间的量子效率达到60%以上[4]，非常适合拍摄透射电子显微镜闪烁体的荧光图像，因此选择ICX285AL作为TEM CCD相机的图像传感器。 ICX285AL内部结构如图1所示，包含感光单元、垂直移位寄存器、水平移位寄存器三个部分。在积分时间结束后，感光单元电荷转移到相邻的垂直移位寄存器中，在垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4共同作用下一行一行地转移到水平移位寄存器，在水平转移脉冲HФ1，HФ2和复位时钟RG的共同作用下经放大器读出。 2 ?CCD驱动电路设计 CCD驱动电路为ICX285AL提供了驱动脉冲和直流偏置电压，其组成框图如图2所示，主要包括控制电路、偏压电路、驱动器电路等（CCD的输出信号通过相关双采样电路采集，这里只涉及采样控制信号的产生方法）。下面分别介绍这几个部分。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t1.tif>； 图1 ICX285AL内部结构示意图 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t2.tif>； 图2 驱动电路系统示意图 2.1 ?偏压电路 偏置电压电路向CCD以及驱动器电路提供直流偏置电压，并为器件提供3.3 V电源。 ICX285AL所需垂直转移信号的电压为-7 V，0 V，15 V三个级次，水平移位信号和复位信号电压为5 V，基底信号电压为22 V，CPLD电源电压为3.3 V，驱动器芯片电源电压为5 V。 设计外接5 V直流稳压电源，选用LT1129产生3.3 V电压，选用LT1935产生15 V偏压，选用LT1964产生-7 V偏压。图3中由下至上分别是LT1935和LT1964偏压产生电路设计。 2.1.1 ?LT1935偏压电路设计 LT1935是开关频率1.2 MHz的升压型开关稳压电源[5]。输出电压值由[R7]和[R11]设定： [VOUT=1.265?1+R7R11] ? ?（1） 式中：1.265 V是反馈引脚FB的参考电压；取[R7，][R11]分别为110 kΩ，10.13 kΩ（10 kΩ与130 Ω串联），预计输出的电压15 V。 2.1.2 ?LT1964偏压电路设计 LT1964是低噪声负压线性稳压电源[6]。它的-15 V直流输入是通过反向电荷泵由LT1935的开关引脚（SW）得到的。输出电压由[R6]和[R10]设定： [VOUT=-1.22?（1+R10R6）-IADJ?R2] （2） 式中：[VADJ]=-1.22 V，为调整端口ADJ的参考电压；[IADJ]=-39 nA（25 ℃时），为ADJ端口的偏置电流。设计取[R10，][R6]分别为48.7 kΩ，10.27 kΩ（10 kΩ与270 Ω串联），预计输出的电压为-7 V。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t3.tif>； 图3 偏置电压产生电路 2.1.3 ?电源滤波 在电源输出端采用并联电容、串联磁珠的方式滤除高频噪声。设计采用低等效串联阻抗X5R型陶瓷电容并联在电源输出端与地之间，采用大容值并联小容值、大封装并联小封装的方式，展宽了输出端与地之间的低阻抗带宽，更好地滤除高频噪声，同时提升了电源输出瞬态响应性能[7]。 2.2 ?驱动器电路 常用的可编程逻辑器件的输出电平多为1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V几种规格，不符合CCD驱动脉冲的要求，除了3.3 V电平的复位信号RG信号可直接驱动CCD，其余8路时序信号必须经过电平变换以提高驱动能力。驱动器电路采用一片CXD3400N和一片74ACT04芯片进行电平转换，电平转换示意图如图4所示（图中括号内的值为电压范围）。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t4.tif>； 图4 电平转换示意图 CXD3400N是6通道CCD垂直驱动器，支持2.7～5.5 V的逻辑输入，可提供4路三级电平垂直驱动、2路二级电平垂直驱动、1路二级电平基底时钟驱动[8]，其输出脉冲的高级和低级电平分别等于外接的正、负偏置电压，中间级电平等于地平面[8]。一片CXD3400N即可提供全部垂直驱动信号以及基底时钟。应当注意的是，两路三级电平脉冲信号[Vφ2A，][Vφ2B]是由XSG1，XSG2和XV2转换来的。 74ACT04是一款高速6通道反相器，可以将3.3 V信号转换成5 V信号[9]，采用一片以提供水平驱动信号。 2.3 ?控制电路 2.3.1 ?电路实现 CPLD具有ASIC的大规模、高集成度、高可靠性的优势，同时设计周期短且灵活性好，可通过JTAG实现在线编程[10]，是设计高速数字硬件的理想选择。设计采用Altera公司MAX Ⅱ系列的EPM570T100作为时序产生器。 设计采用Verilog HDL语言实现时序逻辑电路。Verilog HDL作为一种硬件描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是当前系统硬件设计语言的主流[11]。在Quartus Ⅱ开发环境下，采用自顶向下的方式实现复杂逻辑的设计，并采用有限状态机控制时序的产生过程。在其顶层模块实例化各功能模块，然后采用Verilog HDL语言对各功能模块详细描述[12]。 2.3.2 ?有限状态机 根据ICX285AL的工作过程，借助Quartus Ⅱ中集成的状态机生成向导（State Machine Wizard）设计三段式状态机，将“次态逻辑”、“状态寄存器”和“输出逻辑”分别放在不同的always进程中描述，以消除出现竞争冒险现象的可能，去除信号毛刺[13]，状态机转换图如图5所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t5.tif>； 图5 状态转换示意图 为充分利用CCD的动态范围[14]，对应不同的光照条件，状态机包含了长积分和短积分两种状态转移模式。 2.3.3 ?时序产生 设计使ICX285AL工作在逐行扫描模式，需要9路驱动脉冲，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4，水平转移脉冲HФ1，HФ2，复位时钟RG以及控制曝光的基底时钟ФSUB。 CCD一帧图像的工作周期包括感光阶段和转移阶段，转移阶段又分为帧转移、垂直转移、水平转移。在感光阶段，给基底提供低电平，CCD感光单元开始收集光电荷，存储电荷的多少取决于光照强度和曝光时间。帧转移阶段，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4输出一组三级电平信号，此时感光结束，成像单元中的电荷以电荷包的形式转移到相邻的垂直移位寄存器中。在垂直转移阶段，包含1 050个循环，每一次循环VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4都会输出一组二级电平信号，使电荷沿垂直移位寄存器移动一行，最后一行进入水平移位寄存器，然后在HФ1，HФ2和RG的作用下完成1 434个循环，每次循环读出一个像素信息。RG用于将浮置扩散节点的电荷清除掉，以便能够准确测量下一个电荷包。 通过计数器可以方便地规定时序信号的占空比和相位关系。设基础时钟周期[t，]设计CCD的像素读出周期为[T=8t。]编写逻辑cnt_clk和cnt_pixel对[t]和[T]分别计数，利用cnt_clk的值规定水平转移、复位和采样控制时序信号，利用cnt_pixel的值规定垂直转移、基底时序信号，两个计数器在状态发生转移时均被重置。 2.3.4 ?时序仿真 完成Verilog HDL语言的编译、综合后，在Quartus Ⅱ中编写仿真脚本（Test Bench），在ModelSim 10.1中进行了仿真，仿真结果如图6所示。图6（a）显示了垂直驱动时序信号。图6（b）显示了水平转移、复位以及采样信号。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t6.tif>； 图6 时序信号仿真图 3 ?实验结果 将Verilog HDL程序下载到CPLD中，利用示波器检查偏置电压和驱动波形无误后，将CCD安装在驱动电路上。 利用光源使CCD输出信号饱和，用示波器测试CCD的输出信号，结果如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t7.tif>； 图7 CCD输出信号 测得像素读出速率为12.5 MHz，与设计一致，输出信号清晰显示出了每个像素周期包括的复位电平、参考电平、信号电平三部分，其中参考电平和信号电平电位差约为1 V，实验结果表明ICX285AL在驱动电路的驱动下正常工作。 4 ?结 ?语 设计并加工了一款用于TEM CCD相机的CCD驱动电路，采用CPLD作为时序发生器，通过状态机实施过程控制，在不改变硬件的情况下，可以方便地更改曝光时间和相机工作模式，同时保证图像的连续采集。使用CXD3400N和74ACT04作为驱动器，能够输出高质量的驱动脉冲。 通过实验，验证了ICX285AL在该驱动电路的驱动下能够连续、稳定地输出视频信号，证明该设计满足实用要求，为TEM CCD相机的后续研究奠定了基础。 注：本文通讯作者为董全林。 参考文献 [1] 王庆有.图像传感器应用技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2013. [2] 刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI?1010M的高速驱动系统设计[J].光学精密工程，2008，16（9）：1622?1628. [3] 刘冰川，曲利娟，刘庆宏.透射电子显微镜成像方式综述[J].医疗设备信息，2007（9）：43?46. [4] SONY Corporation. ICX285AL progressive scan CCD image sensor data sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2008. [5] Linear Technology Corporation. LT1935 1.2 MHz boost DC/DC converter date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 2007. [6] Linear Technology Corporation. LT1964 200 mA low noise low dropout negative micropower regulator date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 1964. [7] 张小令.怎样选用电源滤波电容[J].电子制作，2001，10（5）：33?35. [8] SONY Corporation. CXD3400N 6?channel CCD vertical clock driver date sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2003. [9] Fairchild Corporation. 74ACT04 Hex Inverter Date Sheet [R]. [S.l.]： Fairchild Corporation， 2004. [10] Altera Corporation. MAX II device handbook [R]. USA： Altera Corporation， 2006. [11] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008. [12] 曲洪丰，王晓东，张鑫，等.基于FPGA的背照式CCD47?10驱动电路设计[J].仪表技术与传感器，2012（4）：35?37. [13] 吴厚航.深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010. [14] 何家维，何昕，魏仲慧.科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用[J].光电工程，2012（3）：12?18. CCD一帧图像的工作周期包括感光阶段和转移阶段，转移阶段又分为帧转移、垂直转移、水平转移。在感光阶段，给基底提供低电平，CCD感光单元开始收集光电荷，存储电荷的多少取决于光照强度和曝光时间。帧转移阶段，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4输出一组三级电平信号，此时感光结束，成像单元中的电荷以电荷包的形式转移到相邻的垂直移位寄存器中。在垂直转移阶段，包含1 050个循环，每一次循环VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4都会输出一组二级电平信号，使电荷沿垂直移位寄存器移动一行，最后一行进入水平移位寄存器，然后在HФ1，HФ2和RG的作用下完成1 434个循环，每次循环读出一个像素信息。RG用于将浮置扩散节点的电荷清除掉，以便能够准确测量下一个电荷包。 通过计数器可以方便地规定时序信号的占空比和相位关系。设基础时钟周期[t，]设计CCD的像素读出周期为[T=8t。]编写逻辑cnt_clk和cnt_pixel对[t]和[T]分别计数，利用cnt_clk的值规定水平转移、复位和采样控制时序信号，利用cnt_pixel的值规定垂直转移、基底时序信号，两个计数器在状态发生转移时均被重置。 2.3.4 ?时序仿真 完成Verilog HDL语言的编译、综合后，在Quartus Ⅱ中编写仿真脚本（Test Bench），在ModelSim 10.1中进行了仿真，仿真结果如图6所示。图6（a）显示了垂直驱动时序信号。图6（b）显示了水平转移、复位以及采样信号。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t6.tif>； 图6 时序信号仿真图 3 ?实验结果 将Verilog HDL程序下载到CPLD中，利用示波器检查偏置电压和驱动波形无误后，将CCD安装在驱动电路上。 利用光源使CCD输出信号饱和，用示波器测试CCD的输出信号，结果如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t7.tif>； 图7 CCD输出信号 测得像素读出速率为12.5 MHz，与设计一致，输出信号清晰显示出了每个像素周期包括的复位电平、参考电平、信号电平三部分，其中参考电平和信号电平电位差约为1 V，实验结果表明ICX285AL在驱动电路的驱动下正常工作。 4 ?结 ?语 设计并加工了一款用于TEM CCD相机的CCD驱动电路，采用CPLD作为时序发生器，通过状态机实施过程控制，在不改变硬件的情况下，可以方便地更改曝光时间和相机工作模式，同时保证图像的连续采集。使用CXD3400N和74ACT04作为驱动器，能够输出高质量的驱动脉冲。 通过实验，验证了ICX285AL在该驱动电路的驱动下能够连续、稳定地输出视频信号，证明该设计满足实用要求，为TEM CCD相机的后续研究奠定了基础。 注：本文通讯作者为董全林。 参考文献 [1] 王庆有.图像传感器应用技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2013. [2] 刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI?1010M的高速驱动系统设计[J].光学精密工程，2008，16（9）：1622?1628. [3] 刘冰川，曲利娟，刘庆宏.透射电子显微镜成像方式综述[J].医疗设备信息，2007（9）：43?46. [4] SONY Corporation. ICX285AL progressive scan CCD image sensor data sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2008. [5] Linear Technology Corporation. LT1935 1.2 MHz boost DC/DC converter date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 2007. [6] Linear Technology Corporation. LT1964 200 mA low noise low dropout negative micropower regulator date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 1964. [7] 张小令.怎样选用电源滤波电容[J].电子制作，2001，10（5）：33?35. [8] SONY Corporation. CXD3400N 6?channel CCD vertical clock driver date sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2003. [9] Fairchild Corporation. 74ACT04 Hex Inverter Date Sheet [R]. [S.l.]： Fairchild Corporation， 2004. [10] Altera Corporation. MAX II device handbook [R]. USA： Altera Corporation， 2006. [11] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008. [12] 曲洪丰，王晓东，张鑫，等.基于FPGA的背照式CCD47?10驱动电路设计[J].仪表技术与传感器，2012（4）：35?37. [13] 吴厚航.深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010. [14] 何家维，何昕，魏仲慧.科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用[J].光电工程，2012（3）：12?18. CCD一帧图像的工作周期包括感光阶段和转移阶段，转移阶段又分为帧转移、垂直转移、水平转移。在感光阶段，给基底提供低电平，CCD感光单元开始收集光电荷，存储电荷的多少取决于光照强度和曝光时间。帧转移阶段，垂直转移脉冲VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4输出一组三级电平信号，此时感光结束，成像单元中的电荷以电荷包的形式转移到相邻的垂直移位寄存器中。在垂直转移阶段，包含1 050个循环，每一次循环VФ1，VФ2A，VФ2B，VФ3，VФ4都会输出一组二级电平信号，使电荷沿垂直移位寄存器移动一行，最后一行进入水平移位寄存器，然后在HФ1，HФ2和RG的作用下完成1 434个循环，每次循环读出一个像素信息。RG用于将浮置扩散节点的电荷清除掉，以便能够准确测量下一个电荷包。 通过计数器可以方便地规定时序信号的占空比和相位关系。设基础时钟周期[t，]设计CCD的像素读出周期为[T=8t。]编写逻辑cnt_clk和cnt_pixel对[t]和[T]分别计数，利用cnt_clk的值规定水平转移、复位和采样控制时序信号，利用cnt_pixel的值规定垂直转移、基底时序信号，两个计数器在状态发生转移时均被重置。 2.3.4 ?时序仿真 完成Verilog HDL语言的编译、综合后，在Quartus Ⅱ中编写仿真脚本（Test Bench），在ModelSim 10.1中进行了仿真，仿真结果如图6所示。图6（a）显示了垂直驱动时序信号。图6（b）显示了水平转移、复位以及采样信号。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t6.tif>； 图6 时序信号仿真图 3 ?实验结果 将Verilog HDL程序下载到CPLD中，利用示波器检查偏置电压和驱动波形无误后，将CCD安装在驱动电路上。 利用光源使CCD输出信号饱和，用示波器测试CCD的输出信号，结果如图7所示。 <；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼44t7.tif>； 图7 CCD输出信号 测得像素读出速率为12.5 MHz，与设计一致，输出信号清晰显示出了每个像素周期包括的复位电平、参考电平、信号电平三部分，其中参考电平和信号电平电位差约为1 V，实验结果表明ICX285AL在驱动电路的驱动下正常工作。 4 ?结 ?语 设计并加工了一款用于TEM CCD相机的CCD驱动电路，采用CPLD作为时序发生器，通过状态机实施过程控制，在不改变硬件的情况下，可以方便地更改曝光时间和相机工作模式，同时保证图像的连续采集。使用CXD3400N和74ACT04作为驱动器，能够输出高质量的驱动脉冲。 通过实验，验证了ICX285AL在该驱动电路的驱动下能够连续、稳定地输出视频信号，证明该设计满足实用要求，为TEM CCD相机的后续研究奠定了基础。 注：本文通讯作者为董全林。 参考文献 [1] 王庆有.图像传感器应用技术[M].2版.北京：电子工业出版社，2013. [2] 刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI?1010M的高速驱动系统设计[J].光学精密工程，2008，16（9）：1622?1628. [3] 刘冰川，曲利娟，刘庆宏.透射电子显微镜成像方式综述[J].医疗设备信息，2007（9）：43?46. [4] SONY Corporation. ICX285AL progressive scan CCD image sensor data sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2008. [5] Linear Technology Corporation. LT1935 1.2 MHz boost DC/DC converter date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 2007. [6] Linear Technology Corporation. LT1964 200 mA low noise low dropout negative micropower regulator date sheet [R]. [S.l.]： Linear Technology Corporation， 1964. [7] 张小令.怎样选用电源滤波电容[J].电子制作，2001，10（5）：33?35. [8] SONY Corporation. CXD3400N 6?channel CCD vertical clock driver date sheet [R]. Japan： SONY Corporation， 2003. [9] Fairchild Corporation. 74ACT04 Hex Inverter Date Sheet [R]. [S.l.]： Fairchild Corporation， 2004. [10] Altera Corporation. MAX II device handbook [R]. USA： Altera Corporation， 2006. [11] 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008. [12] 曲洪丰，王晓东，张鑫，等.基于FPGA的背照式CCD47?10驱动电路设计[J].仪表技术与传感器，2012（4）：35?37. [13] 吴厚航.深入浅出玩转FPGA[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010. [14] 何家维，何昕，魏仲慧.科学级CCD相机在星敏感器中的设计与应用[J].光电工程，2012（3）：12?18. |
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