基于FPGA與的VHDL語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器的一體化設(shè)計(jì)

1 引言

近年來(lái)，多通道面陣 CCD相機(jī)在氣象觀測(cè)、環(huán)境檢測(cè)、海洋遙感和資源調(diào)查等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。而在 CCD的應(yīng)用技術(shù)中，尤其是高速、多通道 CCD的應(yīng)用中， CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的產(chǎn)生和信號(hào)的實(shí)時(shí)輸出是兩個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題[1]。高速、多通道 CCD器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序通常是一組周期性且關(guān)系比較復(fù)雜的脈沖信號(hào)，它是影響 CCD器件性能的一個(gè)重要因素；而產(chǎn)生的多組像元信號(hào)如何正確的轉(zhuǎn)換成一幀完整圖像，也必須根據(jù)實(shí)際的硬件要求而采取不同的設(shè)計(jì)方案。

本文在分析了 Sarnoff公司的 VCCD512H型幀轉(zhuǎn)移面陣 CCD芯片的特性和工作過(guò)程后，結(jié)合整個(gè) CCD相機(jī)電子系統(tǒng)的要求，完成了基于 FPGA技術(shù)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器的一體化設(shè)計(jì)，即在一塊 FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)序與數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)的控制。昀后針對(duì) Xilinx公司的 FPGA器件 XQ2V3000對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了配置及仿真，從而驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性。 2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器與數(shù)據(jù)緩存器一體化設(shè)計(jì)原理

2.1 CCD器件結(jié)構(gòu)及工作原理

美國(guó) Sarnoff公司的 VCCD512H是背照型幀轉(zhuǎn)移面陣CCD，它由兩個(gè)感光區(qū)、兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū)和讀出寄存器構(gòu)成。每個(gè)感光區(qū)（或存儲(chǔ)區(qū)）包含 8個(gè)子陣列，每個(gè)子陣列含有 256（行）×64（列）個(gè)有效像元，整個(gè)像面則由16個(gè)子陣列，共 512×512個(gè)有效像元構(gòu)成，我們?cè)趹?yīng)用中，對(duì)像元做了水平方向‘二合一’處理，使得整個(gè)像面共由 512x256個(gè)有效像元構(gòu)成,昀終 16路信號(hào)并行輸出。

電荷移動(dòng)方向如圖1中箭頭所示，先由感光區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)（A1,A2,A3為幀轉(zhuǎn)移控制信號(hào)），再由存儲(chǔ)區(qū)轉(zhuǎn)移到讀出寄存器（B1,B2,B3為行轉(zhuǎn)移控制信號(hào)），而后在讀出控制信號(hào)（C1,C2,C3為像元轉(zhuǎn)移控制信號(hào)）的作用下順序讀出。16個(gè)子陣列有各自獨(dú)立的讀出寄存器和 CDS放大器。信號(hào)的輸出方式是 16個(gè)端口并行輸出，送到后續(xù)的模擬、數(shù)字信號(hào)處理電路[2]。

2.2 驅(qū)動(dòng)時(shí)序分析

由芯片結(jié)構(gòu)可知，CCD的一個(gè)工作周期分兩個(gè)階段：感光階段和轉(zhuǎn)移階段。在感光階段，感光陣列接受外界光源照射產(chǎn)生電荷，幀轉(zhuǎn)移控制信號(hào) A不變，感光陣列和幀存儲(chǔ)區(qū)之間為阻斷態(tài)，不會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象；同時(shí)由行轉(zhuǎn)移控制信號(hào) B控制，存儲(chǔ)區(qū)中的電荷逐行轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器；行轉(zhuǎn)移時(shí)，像元轉(zhuǎn)移控制信號(hào) C不變，無(wú)像元信號(hào)輸出；每行信號(hào)中，各像元電荷逐次經(jīng)過(guò)輸出放大器輸出，每讀出一行信號(hào)，進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移。三相 CCD中，電荷的轉(zhuǎn)移是通過(guò)三相控制電壓按一定順序依次變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。此處，進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，三相控制時(shí)序依次變化；三相信號(hào)不變時(shí)，為阻斷態(tài)。為保證信號(hào)電荷的完整轉(zhuǎn)移，各相時(shí)序間必須保證一定的電平交疊[3]。

在幀轉(zhuǎn)移階段，幀轉(zhuǎn)移控制信號(hào) A與行轉(zhuǎn)移控制信號(hào) B相同，且一直有效。同時(shí)像元控制信號(hào) C也一直有效，但輸出數(shù)據(jù)無(wú)效。進(jìn)入感光階段，首先進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移，開(kāi)始信號(hào)的輸出，同時(shí)感光區(qū)像元進(jìn)入電荷積累。為保證信號(hào)讀出的完整性，整幀轉(zhuǎn)移的行數(shù)、輸出的行數(shù)、像元數(shù)都進(jìn)行了一定的冗余設(shè)置[4]。

2.3 數(shù)據(jù)緩存器工作原理 如圖 2所示，CCD傳感器為 16路并行輸出，每路為 256×32×12bit,即8192×12 bit，現(xiàn)采用 VHDL硬件描述語(yǔ)言，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于片上集成的雙口 RAM緩存器。

本設(shè)計(jì)中選用的控制器件FPGA為Xilinx公司XQ2V3000，其片內(nèi)的共有96個(gè)雙口 RAM，每個(gè) RAM的深度為16K,而在該系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)幀緩存的功能，在設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)雙口 RAM并行連接的方式，從而組合成了 16K×16bit的雙口 RAM緩存單元，共占用 RAM資源34個(gè)。雙口 RAM的寫(xiě)入地址為 14位，由寫(xiě)入地址發(fā)生器統(tǒng)一提供，與 CCD的驅(qū)動(dòng)波形相配合 [5]。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)是將雙口RAM 分成上下兩區(qū)（每個(gè)緩沖區(qū)共有 64x266個(gè)像元），前一幀周期左邊寫(xiě)上半?yún)^(qū)，右邊讀下半?yún)^(qū)；后一幀周期，左邊寫(xiě)下半?yún)^(qū)時(shí)，右邊讀上半?yún)^(qū)。其寫(xiě)入過(guò)程為:首先由A 、B三相驅(qū)動(dòng)脈沖（共 266個(gè)波形）配合，完成 A->B的電荷轉(zhuǎn)移；然后用 B波形完成兩次 B->C轉(zhuǎn)移（兩行合并），再用 C波形完成72次串出，其中僅有 64個(gè)有效（第 3-66像元），其余為過(guò)掃描，用于行箝位。這一過(guò)程重復(fù) 133次，（前 5次丟棄）。 因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)的讀出要按預(yù)定順序，即 512行從上到下，每行 256個(gè)像元從左到右。為此，將 17個(gè)雙口 RAM的輸出作為一個(gè)整體來(lái)考慮，其存儲(chǔ)量為(512×256+128)×12 bit,即131,200×12 bit，需要18 位地址，該讀出地址的形成可以用一個(gè)18 位計(jì)數(shù)器和一個(gè)譯碼器完成 [6]。

如圖 3所示，在幀正程期間，從數(shù)據(jù)緩存讀出 512 × 256 × 12bit的圖像數(shù)據(jù)，在幀逆程期間，緩存器中的輔助數(shù)據(jù)緊隨其后被讀出。

3 一體化設(shè)計(jì)的 FPGA實(shí)現(xiàn)及仿真結(jié)果

3.1 現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）

系統(tǒng)中采用容量比較大的FPGA，利用 VHDL硬件描述語(yǔ)言完成 CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的高速讀寫(xiě)。這種實(shí)現(xiàn)方法可以使采集系統(tǒng)靈活、簡(jiǎn)單、方便，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，可根據(jù)需要設(shè)計(jì)為不同數(shù)據(jù)寬度、不同容量的數(shù)字系統(tǒng)，接口電路簡(jiǎn)潔且不占用系統(tǒng)地址資源，系統(tǒng)移植或升級(jí)換代方便，而且控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)[7]。

3.2 時(shí)序仿真結(jié)果

在編程軟件 Quartus II集成設(shè)計(jì)環(huán)境下，用 VHDL語(yǔ)言以自上而下的方式，對(duì) CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)進(jìn)行了描述，仿真后得到部分結(jié)果如下圖所示。

圖 4為在幀轉(zhuǎn)移過(guò)程中，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘 CLK的計(jì)數(shù)而產(chǎn)生了頻率相同、相位不同的A、B驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，并且通過(guò)后續(xù)的示波器檢測(cè)得知電平交疊達(dá)到了75％以上，滿足技術(shù)手冊(cè)的要求。

圖 5為 RAM選擇地址仿真圖。系統(tǒng)總共有 17個(gè) RAM緩存器，并且把每個(gè) RAM分為了上、下兩個(gè)半?yún)^(qū)。設(shè)CEr為 16位用來(lái)選擇 RAM的位置，其中高8位為上半?yún)^(qū)，低 8位為下半?yún)^(qū)，并且交替選擇（上半?yún)^(qū)讀出時(shí)，下半?yún)^(qū)為寫(xiě)入，反之亦然）。從昀終的仿真圖中可以看出，時(shí)序復(fù)合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于采用了 FPGA技術(shù)設(shè)計(jì) CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序和緩存器電路，使原來(lái)復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)變成只需 1片 FPGA就能完成。同時(shí)它能夠很好地滿足 CCD應(yīng)用向高速、小型化、智能化、低功耗發(fā)展的需求，從而提高了系統(tǒng)的集成度。從時(shí)序仿真結(jié)果來(lái)看，該一體化的設(shè)計(jì)能夠較好的產(chǎn)生器件所需的時(shí)序脈沖及緩存器所需的讀/寫(xiě)地址，并且由于使用了延遲量小的 FPGA使得系統(tǒng)可以工作在百兆赫茲的工作頻段，從而增強(qiáng)了電路的抗干擾能力，提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。