基于CPLD的CCD相机图像信号模拟器的设计

摘要 本文讲述了对某CCD相机的图像数据输出接口和图像数据源的模拟过程。主要在CPLD器件上实现，通过应用基于Channel link技术(LVDS串行／解串技术)的Camlink标准接口传输方案，最终以LVDS方式输出信号，可以用来检测图像采集卡的工作状态。
关键字 CCD Camlink  LVDS  CPLD 

1 引言

    多年来CCD 器件以体积小、重量轻、功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点以及在分辨率、动态范围、灵敏度、实时传输、自扫描等特性，广泛地应用于摄像器材、气象、航天航空、军事、医疗以及工业检测等众多领域。

    在对某多通道高速CCD相机输出图像信号的采集系统设计过程当中，我们需要对此系统在正式使用之前进行调试，来测试它能否正常工作。本文利用CPLD和LVDS严格对CCD相机的输出接口进行了模拟，并且以LVDS方式输出图像信号。

2 相机系统输出接口信号及Camera link 接口

   此CCD 相机最终的输出信号符合camera link 接口标准，每个通道输出3072个像元后，接着输出1024个零电平像元，数据采用LVDS差分输出，每通道的输出信号包括：控制信号：像元时钟DCLK，行同步信号LVAL和外触发信号DTRG；数字图像信号（8位并行输出）DATA。各信号波形大致如图1 所示：

                                图1

·    DCLK像元时钟频率为31MHz，由62MHz晶振产生后二分频得到。以LVDS信号输出。

·   行同步信号LVAL在输出3072个像元和1024个零电平像元时，LVAL为低电平，在两个有效行中间会跳变几个无效的像素点，跳变无效像素点时，LVAL为高电平。跳过的像素点的数目未定，初步设为固定4个像素。以LVDS信号输出。

·   外触发信号DTRG是用来触发采集卡的工作，它与LVAL信号下降沿对齐，高电平宽度为像元时钟一个周期的宽度。

    为提高传输效率以及降低传输成本，CCD相机将以上图像信号按Camera Link 标准转换成低电平差分信号（LVDS）输出。系统采用与CCD 相机相匹配的National semiconductor芯片组DS90C031W/ML 来完成TTL电平信号和LDVS信号之间的转换，转换接口芯片如图2 所示，一个接口转换芯片可以将4个信号转换成4对符合TIA/EIA-644 标准的LVDS 数据流。另外还有两个使能端，在工作时，EN接低电平， 接高电平。此芯片的最大传输速度可达77.7MHz，供电电压为+5V，符合系统需要。最后输出信号接到图像采集系统的输入端。在本文的设计当中，只用到驱动芯片，接收芯片放在图像采集系统电路中。

3硬件结构

本设计的硬件电路主要由三部分组成，结构框图如图3所示。包括晶振电路、

CPLD、输出接口（9片DS90C031）。整个电路的核心部分是CPLD，采用ALTERA公司的MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15芯片。它除了产生控制信号外，还要模拟一个灰度图象的数据源。62MHz晶振用来产生CPLD工作所需要的时钟。DSC90C031用来把CPLD产生的图像信号和控制信号（TTL信号）转化成LVDS信号，并输出。其中每两片能产生一个通道的8位的图像输出信号，共有4个通道，第9片用来转换控制信号并输出。

    在电路设计过程中，为了提高系统的可靠性，要注意以下问题：1、CPLD器件的每个供电电压管脚都要外接0.1μ电容来进行滤波。CPLD输出信号也要进行滤波之后再接到DSC90C031。2、在输出端，要使用终端电阻实现对差分传输线的最大匹配，阻值一般在90——130Ώ之间，系统也需要此终端电阻来产生正常工作的差分电压。必要时也可使用2个阻值各为50Ώ的电阻，并在中间通过一个电容接地，以滤去共模噪声。

4 CPLD程序设计

    因为考虑到设计后期还要在CPLD前端加单片机对图像信号的变化进行各种控制，所以要用到大约50个I/O口的操作，所以选用了ALTERA公司的MAX7000S系列中的EPM7128SLC84-15芯片，该芯片共有84个引脚，内部集成了6000门，其中典型可用门为2500个，有128个逻辑单元，60个可用I/O口，可单独配置为输入、输出及双向工作方式，2个全局时钟及一个全局使能端和一个全局清除端。它支持多电压工作，其传输延时为7.5ns，最高工作频率高达125MHz。我们采用ALTERA公司的第三代开发软件Max plus II进行仿真、综合和下载。

    整个程序分三个模块：u1，u2，u3，其中u1是分频模块，用4输出计数器对输入的62M主时钟（mclk）进行2分频，u2是图像数据产生模块，用8位的计数器来产生灰度图象数据。u3模块是利用13位的计数器来产生控制信号，严格按照要求的时序关系，分别产生像元时钟（DCLK）、行同步信号（LVAL）、外触发信号（DTRG）。部分源程序如下：

begin

u1:fenpin port map(mclk,clr0,set,clk);  //引用分频模块

u2:count8 port map(clk,clr1,set,countout8);//引用8位计数器

u3:count13 port map (clk,clr2,set,countout13);//引用13位计数器

set<='1';

clr1<='0';

dclk<=clk;

process(clk)

begin

if(clk'event and clk='1')then

if (countout13>=4096 and countout13<=4099)then

lval<='1';

data<=countout8;

else

lval<='0';

end if;

if(countout13=4099)then

dtrg<='1';

clr2<='1';

else

dtrg<='0';

clr2<='0';

end if;

if(countout13>=0 and countout13<=3071)then

data<=countout8;//输出有效像元

end if;

if (countout13>=3072 and countout13<=4095)then

data<=0;//输出零像元

end if;

end if;

end process;

end rtl;

 时序仿真图如下图所示：

 5总结

    编译仿真通过后，在顶层用原理图进行综合实现，然后烧入芯片进行实验，并根据实际运行情况，对设计进行改进。如根据实际器件的延时特性，在设计中某些地方插入适当的延迟单元以保证各时延一致。

    根据本文介绍的设计方案，采用CPLD技术设计的多路CCD图像信号模拟器结构简单，实现方便，易于修改。在图像采集卡的测试过程中，发挥了重要作用。

参考文献：

[1] 侯伯亨，顾新等.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计.西安电子科技大学出版社，2004
[2] 杨刚，龙海燕.VHDL与数字系统设计.电子工业出版社，2004
[3] data sheet of DS90CO31 . National Semiconductor .1998
[4] data sheet of MAX7000. ALTERA.2001