基于FPGA的线阵CCD数据采集系统

基于ＦＰＧＡ的线阵ＣＣＤ数据采集系统摘要：本文介绍了一种基于FPGA的线阵CCD数据采集系统的实现方法。该系统在Altera的CycloneEPlC6Q240C8上实现，使用SoPCBuilder开发组件定制CPU软核处理器和系统所需的IP模块，CPU软核处理器作为微控制器实现逻辑控制和数据采集功能，用硬件描述语言编程实现CCD驱动电路的设计。关键词：CCD；数据采集；NiosⅡ引言CCD(ChargeCoupledDevices，电荷耦合器件)具有光电转换、信息存储等功能，而且集成度高、动态范围大、线性好、信噪比高，在很多领域都得到了广泛应用。CCD有面阵和线阵之分，面阵CCD主要用于摄像、图像处理、数据存储和机器人视觉等领域；线阵CCD的应用也很广泛，像光谱分析、测径，测量微小位移等。本文介绍了一种在FPGA片内利用SoPC技术实现的线阵CCD数据采集系统，系统中的CCD选用东芝公司的TCDl03D，这是2592像元的二相线阵CCD；ADC选用TLC876，精度为10位，转换速率20MSPS。整个系统在一片FPGA(EPlC6Q240C8)上完成，在QuartusⅡ软件中用硬件描述语言实现CCD的驱动电路和A／D采样控制器的设计。使用SoPCBuilder定制了一个32位软核处理器作为微控制器，协调CCD驱动电路、A／D采样控制电路之间的工作时序，完成数据采集、存储等功能。系统分3部分：硬件电路、驱动电路和数据采集部分。系统硬件设计硬件平台结构见图1。系统中的UART和SDRAMController是SoPCBuilder内建的IP核库中的IP模块，通过AvalonBus和NiosⅡCPU相连。SoPCBuilder能自动产生每个模块的HDL文件，同时自动产生一些必要的仲裁逻辑来协调AvalonBus上各功能模块的工作。NiosⅡCPU是系统的核心，协调CCD驱动电路、A／D采样控制电路之间的工作时序，完成数据采集、存储和数据传输。SDRAM作为数据缓存器，软件程序和配置文件存储在外扩的Flash中。系统通过RS—232接口和计算机相连，接收计算机的控制命令。CCD工作时要求驱动脉冲的幅值在11V以上(典型值为12V)，因此，CCD模块包含一个电平转换电路，将FPGA输出的电平转换成12V。驱动电路设计FPGA具有集成度高、速度快可靠性好及硬件电路易于编程等特点，非常适合驱动电路的设计。CCD驱动电路和AfD采样控制电路在QuartusⅡ软件中编程实现，产生CCD和ADC所需的工作时序。CCD驱动电路设计TCDl03D是一种高灵敏度、低暗电流、2592像元的二相线阵CCD图像传感器。分辨率为11Bm，它在4路驱动信号作用下输出OS和DOS信号。正常工作时先输出64个哑元信号，然后连续输出S!-s2592有效像素单元信号。S2～9：信号输出后，又输出28个哑元信号，以后便是空驱动。DOS是补偿输出信号。4路驱动信号分别是转移信号SH、两相时钟信号①，、①，和复位信号RS。SH的周期就是器件的光积分时间。复位脉冲RS的产生RS是使输出扩散二极管复位的复位管控制脉冲，复位一次输出一个信号，脉冲占空比为1：3，典型频率为1MHz。RS由U1单元产生。如图2所示，单元内两个D触发器构成一个环形计数器，CLK为4MHz的时钟脉冲，经分频输出两个1MHz、相差90‘的方波脉冲QD和e1，将这两路脉冲经或非门输出，即可形成RS脉冲。除RS脉冲外，U1单元还产生fai—base脉冲和和AD—CLK脉冲。前者频率为0．5MHz，占空比为1：1，用于产生时钟脉冲信号。ADCLK是ADC的采样时钟信号，频率为1MHz。时钟脉冲中，和中，的产生时钟脉冲①，、中，的典型频率为0．5MHz，相位相差180’，为避免MOS电容中的信号电荷包向上／下2列模拟移位寄存器的电极转移不完全的情况发生，要求①，、①、在并行转移时有一个大于SH=1持续时间的宽脉冲。在图3所示的电路中(图中①，、①，分别用fail、fai2表示)，cntl2b是一个异步清零的加法计数器，当计数值至少大于1341(计数值由光积分时间决定)，p1输出高电平，开启dec4b。dec4b是一个异步清零的减法计数器，输出为1100时，立即产生异步清零信号，将两个计数器全部清零，同时生成中，、①，所需的宽脉冲。转移脉冲SH的产生SH是使MOS电容中的信号电荷转移到移位寄存器中的转移栅控制脉冲。如图3所示，dec4b的q3产生的宽脉冲经过一个下降沿触发的DFF，波形滞后q3个CLK周期，两个信号作与运算，即产生SH脉冲。EN是驱动电路的使能信号，EN为高电平时，电路工作。ND采样控制时序的产生TLC876以多级流水线结构原理设计而成，在每一个采样时钟的上升沿都启动一次采样，完成一次采样，但从模拟值采样到10位数字量输出有5个时钟周期的延迟。采样时钟AD_CLK由U1单元产生，频率为1MHz。采样控制电路的作用是协调CCD和TLC876之间的工作时序。CCD正常工作时前后各有64和28个哑元信号，这92个哑元信号在A／D转换时不需要采样。但是，因为输出信号有5个周期的延迟，实际应采2597个点。采样控制单元的主要功能是：使能信号ENABLE有效后，模块等待当前的积分周期结束，并在下一个积分周期开始时对前64个哑元信号进行计数，等64个信号全部移出后启动采样时钟，ADC在ADCLK控制下连续对信号进行采样和输出。数据采集系统设计NiosⅡCPU是系统的核心，协调各模块之间的工作，实现数据采集功能。当计算机发出控制信号时，微处理器启动CCD驱动电路和A／D采样控制电路，CCD在驱动时序控制下将堆积的电荷导出并开始新的积分周期。A／D采样控制电路等待当前积分周期结束后产生TLC876的采样时钟AD_CLK。AD_CLK和NiosⅡCPU的一个I／O相连，该I／O口定制时设置成边沿中断。因此，在每个AD_CLK的上升沿启动一次采样的同时产生一次中断，通知CPU读取转换好的数据。CPU将读取的数据暂存在SDRAM中，一次数据采集完成后，由微处理器将采样控制器中的计数器清零并关闭采样控制单元和CCD驱动电路。这部分采用C语言在NiosⅡ的集成开发环境(1DE)中实现。软件流程如图4所示。结语本文提出了一种基于FPGA的线阵CCD数据采集系统的实现方法。该系统在Altera公司的CycloneFPGA上实现，使用SoPCBuilder开发组件定制系统所需的IP模块，具有开发周期短、集成度高等特点。软硬件均采用编程实现，设计灵活，在实际应用中收到很好的效果。