一种基于FPGA的AD9945驱动设计

摘 要： 介绍了AD9945高速CCD信号处理芯片，并对其工作流程进行了研究。分析了AD9945芯片内部各个驱动信号的作用及其时序关系，提出了结合FPGA运用VHDL硬件语言对该芯片的驱动信号进行编程的思想，最后通过QUARTUS II软件对程序进行时序仿真，并得到正确的仿真时序图，从而验证了这种编程思想的正确性。
关键词： AD9945; FPGA; VHDL; 驱动

随着计算机和通信技术的发展，机器视觉的应用更加广泛，而FPGA因具有高性能、高灵活性、低开发成本、低成本的结构化ASIC移植等优点，在机器视觉中发挥着越来越重要的作用。AD9945是一款12 bit的高速CCD信号处理芯片，最高频率可达到40 MHz，非常适用于处理高速CCD信号。
1 AD9945芯片简介[1]
AD9945是一款高速CCD模拟信号处理芯片，最高频率可处理40 MHz的面阵CCD模拟信号。其信号链主要由相关双采样(CDS)、数控可变增益放大器(VGA)、黑色电平钳位、12位A/D转换器组成。
1.1 AD9945内部寄存器
AD9945有4个内部寄存器，分别为工作寄存器、控制寄存器、暗电平钳制水平寄存器、VGA增益寄存器。4个寄存器可通过3线串行数字接口(SCK、SDATA、SL)进行编程。通过编程可改变增益、黑电平校正、输入时钟极性及掉电模式等。各个内部寄存器详细设置见其芯片手册[1]。
对单个寄存器的赋值应满足其芯片时序图,并且注意4个寄存器应被连续写入，第一个寄存器的地址(最低的地址)被写入后，跟着写入一个测试位(置0)和4个12 bit的数据(不足12 bit的补0)，其中地址位将跟着每一个12 bit的数据而自动增加。每一位SDATA的数据在SCK的上升沿被写入。在所有的寄存器的值写入期间，SL保持低电平，并且系统在SL上升沿后对寄存器的值进行更新。
1.2 AD9945工作流程
对于来自CCD的输入信号， AD9945通过一个由0.1 μF的外部耦合隔直电容以及内置的高精度直流电平恢复电路，使CCD信号的直流分量保持在1.5 V左右，从而与3 V单电源输入的 AD9945相匹配。接着AD9945对CCD信号进行相关双采样处理，即对CCD信号采样两次以提取视频信息，这有效地防止了低频噪音。相关双采样发生在SHP（复位电平）和SHD（像元信号电平）的上升沿，这两个时钟信号是完成采样、发挥CCD性能的关键。然后AD9945可以通过10 bit的串行数字接口编程设置对CCD信号的增益进行调整,增益范围从6 dB~40 dB。其增益调整的公式为：VGA增益(dB)=（VGA代码值×0.035 dB）+5.3 dB。为了清除CCD信号链中残留的偏置并跟踪暗电平低频的变化，AD9945还设置了一个光学暗电平钳制反馈环。通过内部寄存器设置暗电平的参考值,并与ADC输出的实际暗电平的值进行比较。产生的误差信号经过数字滤波，通过一个D/A转换器反馈到ADC的输入。暗电平钳制脉冲CLPOB应处于有效的CCD光学暗电平期间。最后CCD信号通过一个12 bit的AD转换器输出，并且输出时延迟10像素时钟。
2 AD9945驱动设计
2.1 AD9945时序分析[1-2]
AD9945要正常工作必须由时序发生器提供各种脉冲信号，以保证其内部寄存器能够正确赋值，双相关采样信号SHP和SHD时序应满足CCD信号要求以及CLPOB脉冲应处于有效的CCD光学暗电平期间。AD9945时序脉冲信号是一组周期性、关系较复杂的脉冲信号，它直接影响了对CCD信号的处理性能。本文设计的AD9945的时序包括三个部分：(1)3线串行数字接口（SCK、SDATA、SL），保证内部寄存器被正确赋值；(2)相关双采样信号SHP、SHD，确保采样的准确性；(3)光学暗电平钳制，减少钳制噪声。
预设当CCD数据频率为40 MHz时，各个驱动信号的相位关系如表1所示。通过观察各驱动信号的相位表和时序图[1]可以得到：如果设t=T/8(T是驱动信号的周期),则SHP、SHD、DATACLK的脉冲宽度分别为2 t、2 t、4 t，并且SHP、SHD之间相位差为2 t。由于DATACLK上升沿必须处于SHD的上升沿与下一个SHP的下降沿之间，因此设DATACLK上升沿到SHP下降沿的相位为t。所以如果基准时钟信号的周期为t，根据上述分析的结果可以得到各个驱动信号。
需要注意的是，表1中的各个驱动信号的相位关系是在CCD信号频率为40 MHz时的，如果CCD信号频率发生变化，各个驱动信号的频率也应该跟着变化。

2.2 AD9945驱动的程序设计[3]
主控芯片选用现场可编程门阵列。FPGA可以通过QuartusII软件编程对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件设计如同软件设计方便快捷。本设计主要使用VHDL语言来编写驱动程序。
AD9945最高工作频率可以达到40 MHz，但是为了配合前端CCD提供的图像数据信号(CCD信号为10 MHz)，把AD9945的工作频率设定为10 MHz(即SHP、SHD、DATACLK频率=10 MHz)，这样与前端CCD信号达到同步。通过观察SHP、SHD、DATACLK之间的相位关系以及上文的时序分析,发现需要一个80 MHz的基准时钟(1/t=8/T)，然后对基准时钟进行8分频，得到10 MHz的信号。然而FPGA的基准时钟信号是由一块50 MHz的有源晶振产生，要想得到需要的80 MHz的信号，就必须进行小数分频处理。选择利用FPGA内部的锁相环PLL完成8/5的小数分频[3-4]。
2.2.1 AD9945内部寄存器程序设计
在AD9945对CCD信号进行采集之前，需要对其内部寄存器进行设置，使其工作在需要的状态下。此步骤需要对3线串行数字接口(SCK、SDATA、SL)进行编程。
首先定义一个串行数据类型SPI=RAM_ARRAY，并赋初值，即是预计要向各个寄存器写入的值，总共52位（3位地址位+1位测试位+每个寄存器12位×4个寄存器=52位）。通过SPI对串行数据接口SDATA进行赋值，实现对内部寄存器的设置。
然后编写程序产生串行数据输入时钟SCK，因为SCK是频率为10 MHz，占空比为1:1的方波，所以对80 MHz的基准时钟进行8进制计数div8=(0,1,2,3,4,5,6,7)，当div8=0、1、2、3时，SCK为低电平。最后需要产生内部寄存器载入脉冲SL。定义一个52位的计数器CNT52，对SCK的脉冲计数52次（用于串行数据的写入）。计数期间SL置0，结束后置1，并且在此期间当每一个SCK上升沿到来时通过SPI对SDATA进行串行写入（共52次）。
2.2.2 AD9945采样时钟的程序设计