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Cyclone EP1C6Q240C8上实现，使用SoPC Builder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；Nios II

引言
    CCD(Charge Coupled Devices，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TCD103D，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(EP1C6Q240C8)上完成，在Quartus II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SoPC Builder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SDRAM Controller是SoPC Builder内建的IP核库中的IP模块，通过Avalon Bus和Nios II CPU相连。SoPC Builder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Avalon Bus上各功能模块的工作。Nios II CPU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A/D采样控制电路在Quartus II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
    TCD103D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11mm，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S1~S2592有效像素单元信号。S2592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Φ1、Φ2 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°的方波脉冲和,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。AD_CLK是ADC的采样时钟信号，频率为1MHz。

时钟脉冲Φ1和Φ2的产生
    时钟脉冲Φ1、Φ2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Φ1、Φ2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Φ1、Φ2分别用fai1、fai2表示)，cnt12b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Φ1、Φ2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半个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。

A/D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AD_CLK控制下连续对信号进行采样和输出。

数据采集系统设计
    Nios II CPU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Nios II CPU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Nios II的集成开发环境(IDE)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Cyclone FPGA上实现，使用SoPC Builder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。

参考文献：
1 饶程，袁祥辉.积分时间和频率同时可调的线阵CCD驱动. 医疗卫生装备.2005年第10 期.
2 仁爱锋，初秀琴等.基于FPGA的嵌入式系统设计.西安：西安电子科技大学出版社，2004
3 TOSHIBA. TCD103D Datasheet