行间转移面阵CCD驱动电路.docx
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行间转移面阵CCD驱动电路
燕山大学
毕业设计(论文)
基于CPLD的
行间转移面阵CCD驱动电路的研究
学院(系)信息科学与工程学院
年级专业电子科学与技术
学生姓名
指导教师
答辩日期
摘要
当前,随着面阵CCD技术的日益成熟和成本的逐渐降低,其应用也日渐广泛。
面阵CCD系统开发的最重要工作之一便是驱动电路的设计。
由于面阵CCD厂商生产的专用芯片价格较高且通用性不好,所以开发一种通用、可靠且性价比高的面阵CCD驱动电路系统具有重要意义。
本文首先分析了本面阵CCD(ICX098AK)驱动系统需要实现的基本功能并提出了系统基本架构和实现方案。
其次,根据对行间转移面阵CCD驱动时序的分析,设计了基于VHDL的驱动程序并进行了仿真,得到的结果与驱动时序要求一致。
再次,根据本面阵CCD的工作特点和驱动要求,给出了驱动电路的整体模块组成,并设计了以CPLD(EPM7128SLC84-5)时序发生装置和驱动脉冲合成装置为核心,利用MAX685及MAX687等芯片构成的多功能电源控制模块的面阵CCD驱动电路。
最后,根据已设计的驱动电路原理图设计了驱动电路的PCB印刷电路板,完成了PCB印刷电路板的布局、布线工作,制成了标准双层板。
并总结了诸多设计经验和技巧。
关键词 面阵CCD;时序生成器;VHDL语言程序;原理图设计;PCB设计
Abstract
Nowadays,drivingbytheprospectofthemarketandwide-spreadingapplication,areaCCD'stechnologyiscomingtomaturity.AndthemostimportantworkinprojectsthattodevelopCCDapplicablesystemsarealwaysthedesignofCCD'sdrivingcircuit.Despitespecificdrivingchipsareeasytouse,thosechipsfromdifferentmanufaturersalwaysincompatiblewitheachothers.So,it'smeanningfultodesignareliable,compatibleandlowcostareaCCDdrivingsystem.
Firstly,ThispaperanalyzedthedemandofthedesignofareaCCD'sdrivingsystemanddescribedthebasicstructureofthedesign.Secondly,accordingtosoftwaresimulation,IthasshownthedesignofVHDLdriverofSequence-Generatorofthesystem.Thirdly,thewholestructureandthecomponentsofthesystemwhichwasbuildupofseveralimportantchips(likeMAX685,MAX687)wasdescribed.Finally,itcompletedthedesignbydevelopingaPCBcircuitfromschsofthesystemanditsummarizedalotsignificantexperiencesoftheproccessofthedesign.
Keywords AreaCCD;Sequence-Generator;VHDL;SCH-design;PCB-design
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2国内外研究现状1
1.3课题研究的意义和任务2
1.4课题研究的内容及论文结构安排3
第2章面阵CCD工作原理及系统方案设计5
2.1常见面阵CCD传感器的分类及工作原理5
2.2面阵CCD传感器常见的驱动方法及比较6
2.3行间转移面阵CCD驱动系统方案设计6
2.3.1基本方案6
2.3.2ICX098AK工作特点7
2.3.3基于VHDL的驱动时序设计流程7
2.3.4面阵CCD支持电路及驱动脉冲合成器总体构架9
2.3.5上电控制及电源支持设计方案9
2.3.6驱动脉冲合成器设计方案10
2.4本章小结11
第3章ICX098AK驱动程序设计与仿真13
3.1引言13
3.2使用VHDL进行驱动程序的设计13
3.2.1面阵CCD驱动时序分析及设计目标13
3.2.2时序信号编程实现的方式16
3.2.3重要的编程问题和解决方法17
3.2.4本程序的特点18
3.3在程序编写中积累的部分经验18
3.3.1延时方面18
3.3.2程序方面19
3.3.3算法方面19
3.4程序软件仿真结果以及和预期的比较20
3.5本章小结22
第4章ICX098AK驱动硬件电路的设计23
4.1电路开发环境--AltiumDesigner6.3介绍23
4.2驱动电路的设计24
4.2.1概述24
4.2.2电路系统构成24
4.2.3驱动脉冲产生电路26
4.2.4上电顺序管理电路(Sequence_PowerForCCD)27
4.2.5电平转换电路28
4.2.6CPLD下载电路,系统时钟30
4.2.7输出信号预处理电路31
4.2.8面阵CCD驱动电路的跳线设置和工作流程32
4.2.9JTAG下载电缆电路33
4.3细节参数的确定34
4.3.1电平转换与上电控制电路参数34
4.3.2去耦电容和滤波电容参数35
4.3.3数字地和模拟地35
4.4设计操作技巧的总结35
4.5本章小结36
第5章驱动电路印刷电路板设计37
5.1引言37
5.2PCB布局37
5.2.1电路工作速度分析37
5.2.2系统重要模块的布局38
5.2.3为配合模块布局做的原理图调整39
5.3驱动电路PCB布线40
5.3.1PCB设计原则40
5.3.2驱动电路布线过程41
5.3.3完成后的驱动电路PCB42
5.3.4本次PCB设计经验45
5.4本章小结45
结论47
参考文献48
附录149
附录253
附录357
附录467
附录573
致谢83
第1章绪论
1.1课题背景
随着面阵CCD技术的日渐成熟,面阵CCD在社会各领域的应用也愈来愈广泛。
在民用方面,已深入到如社区监控、工厂自动化、医疗、交通等诸多领域;在军用以及高科技应用方面,已经涉及到如数字高清成像、非接触测量(距离、温度等)、天体摄影等多方面应用。
面阵CCD应用技术的一个重要方面就是驱动的设计与实现。
作为一种驱动控制较复杂的芯片,设计者在进行驱动的工程设计时通常有两种选择:
使用面阵CCD厂商的专用驱动芯片,或是自行设计驱动。
然而专用芯片通用性较差、功能固定且价格较高的缺点往往限制面阵CCD应用设计技术的发展。
可编程逻辑器件性能的不断发展,成本的不断降低打破了这种局面。
由于此类器件的高速度、多资源、多端口、并行性等诸多优点,使得通过这类器件进行面阵CCD驱动的设计变得简单、通用和高效。
然而目前国内基于可编程逻辑器件的面阵CCD驱动的研究主要集中于仿真和模拟,对基于可编程逻辑器件的面阵CCD驱动电路的设计还不很常见。
所以,设计一种基于可编程器件、软硬件结合且通用可靠的面阵CCD驱动电路系统对于面阵CCD应用技术的推广和发展具有重要的意义。
1.2国内外研究现状
近年来,电荷耦合器件(CCD)在图像传感、信号处理、数字存储等领域取得了重大发展。
作为一种图像传感器,CCD较传统的摄像器件而言,不仅有光谱响应宽、噪声低、灵敏度高、控制方便、实时传输等多方面的优良特点,而且还具有很高的空间分辨率,目前已广泛应用于遥感成像、卫星监测、景物识别、图文传真、文档扫描等众多领域,最近国际有关CCD技术的发展方向主要有如下几点。
(1)提高面阵CCD芯片的量子效率以及降低CCD芯片的暗电流。
(2)减小面阵CCD芯片像素的大小。
(3)降低面阵CCD芯片的操作电压从而降低CCD的功耗及输出信号的可操作性。
(4)提高面阵CCD外围电路系统的集成度以提高CCD芯片的易用性。
面阵CCD芯片技术的高速发展以及成本的不断降低使得CCD器件的应用日益平民化,而面阵CCD系统民用市场的拓展另一方面也促进了面阵CCD技术的成熟。
与此同时,随着数字电路技术的进一步发展和大规模可编程器件的广泛应用,质量可靠,成本低廉的CPLD产品在时序发生、可编程电平转换、微系统控制、复杂电源管理等等诸多方面的应用优势逐步显现出来。
而作为面阵CCD器件专用驱动芯片在成本和通用性方面的劣势对于科研开发也变得愈发的明显。
于是,近年来,利用可编程逻辑器件根据实际需要对面阵CCD的工作进行控制,从而有效的发挥面阵CCD的性能成为众多科研开发者的共识,相关工程应用研究课题也如雨后春笋般出现。
然而,目前国内基于面阵CCD驱动方面的研究主要集中于对帧转移面阵CCD的驱动时序的实现方面,对行间转移型面阵CCD的驱动的研究很少,而且有关驱动电路设计方面的研究既不系统,也不全面。
1.3课题研究的意义和任务
面阵CCD器件应用最重要的环节便是驱动电路与输出信号处理电路的设计,由于不同厂商的产品所针对的使用领域之不同,不同的面阵CCD器件所对应的原厂生产的专门驱动芯片虽然集成度高、可靠性好,但是价格昂贵且通用性很差。
本课题的选定便是针对这一矛盾,力求通过当前无论速度、设计效率还是成本等各方面都较有优势的CPLD器件,以及通用性十分好的硬件描述语言VHDL程序的编写,设计出具备面阵CCD专门驱动芯片所有基本功能的驱动电路,达到同样可靠地驱动面阵CCD器件的目的。
意义便在于不仅有效的控制了产品开发的成本,而且极大的提高了同类型产品开发的效率。
本次毕设需要完成的任务有以下几点。
(1)借助VHDL语言参照面阵CCD芯片说明书完成CCD驱动程序的设计。
(2)通过maxplus或quartus软件调试VHDL程序并实现驱动波形的仿真。
(3)设计基于CPLD(EPM7128S)的面阵CCD驱动电路。
在研究中,逐渐发现,对于面阵CCD的驱动,单是有CPLD时序发生器还是不够的,整个驱动电路的设计还需要可控上电顺序的电源管理模块以及将数字时序转化为模拟驱动脉冲的信号合成模块,另外为最终实现设计的扩展性和实用性,还需设计可靠的输出接口电路,在以上基础上,在研究生师姐的建议下,还采用了师姐已经设计好的面阵CCD输出信号的采样保持以及数模转换电路。
1.4课题研究的内容及论文结构安排
本文对IT型(InterLineTransfer--行间转移面阵)CCD驱动电路的组成和实现方式进行了系统的研究和设计。
在学习了面阵CCD原理和驱动时序的基础上,对基于CPLD的面阵CCD(ICX098AK)的驱动程序进行了设计和仿真,并对以CPLD和CXD1267AN为驱动核心的面阵CCD驱动电路进行了电路原理图的设计、PCB设计和制板。
第1章介绍了本课题的研究背景以及国内外研究现状,并基于当前专用面阵CCD的驱动芯片之缺点,提出了本课题的现实意义和应用价值。
同时简要介绍了本课题的设计目标。
第2章简要介绍了常用面阵CCD器件的分类和基本原理,并提出了本CCD驱动系统的整体设计方案。
第3章阐述了面阵CCD驱动程序的设计实现方式以及编写完成后的程序的软件仿真结果和预期的比较。
第4章讲述了我用ProtelAD6设计驱动电路的过程,并详细介绍了驱动电路各个模块的构成、功能和系统工作流程。
本章是整个论文篇幅最大的一章也是联系系统软件和硬件的中心环节。
第5章讲述了驱动电路PCB设计过程的各个方面,并向您展示了我设计完成的PCB电路板。
本章最后总结了PCB设计中积累的部分经验。
第2章面阵CCD工作原理及系统方案设计
2.1常见面阵CCD传感器的分类及工作原理
CCD(ChargeCoupledDevice),即电荷耦合器件,从20世纪70年代初诞生至今已有近40年的历史。
发展至今,有线阵和面阵两大门类。
其成像的基本原理是光敏MOS管在光照条件下产生电子空穴对,其中的多子因栅极电压被排开,少子被困于势井中成为信号电荷。
积累的电子转移至缓存后利用多相转移时序电压脉冲将一行上所有感光单元的信号电荷统一移至特定信号移出寄存器中经统一放大之后输出。
本章将重点介绍三种面阵CCD的基本原理和驱动的基本方法。
(1)帧转移(FT)型面阵CCD它由上下两部分组成,上半部分是集中了像素的光敏区域,下半部分是被遮光而集中的寄存器存储区域。
上下两部分的像素单元个数是完全相等的。
一次曝光后,图像被快速的由曝光区转移到存储区,但与此同时,曝光依然在进行中。
由于图像信号的转移是有一定时间的,所以帧转移型CCD上不可避免的一种问题就是“垂直拖影”。
在一帧图像信息被转移到存储区后,在下一帧曝光时,这些数据就可以有充足的时间被进行处理。
帧转移型CCD基本上不需要机械快门且解析度可做的很高的特点使得它在早期的固态图像传感器中很常见,它的缺点除了会产生垂直拖影之外还有这种结构比较浪费硅晶片且读取技术较复杂所以成本较高。
目前常用于曝光时间很长的天文观测领域。
(2)行间转移(IT)型面阵CCD这种架构是对帧转移面阵CCD的发展,故而是目前市场上的主流产品。
在这种CCD上,每隔一行,就有一行遮光的存储单元。
故而,每次电荷的转移只需一次移动即可完成,这使得电子快门的速度可达到毫秒的级别,而串扰也非常小。
当然,每隔一行的遮光区域减少了CCD感光的面积,降低了它的量子效率;然而,换一个角度,这种隔行转移的机制也使得整个面阵CCD具有了一种空间滤波器的结构,却也一定程度改善了其光学传输特性。
最新的此类CCD技术是在其上通过微加工技术安装大量的微型透镜,改变光的传输路径,使更多的光照到感光区。
这使得这种结构有更良好的表现。
(3)帧行转移(FIT)型面阵CCD这种CCD是上述IT型和FT型两种面阵CCD的结合,结构复杂,但能大幅度减少垂直拖影并容易实现可变速电子快门。
不过成本很高,应用较少。
2.2面阵CCD传感器常见的驱动方法及比较
(1)经典的方法便是使用单片机然而由于单片机设计的理念主要是为解决简单的数据处理和智能控制问题,故而使用单片机纯粹为实现数字逻辑、生成数字时序,一方面没有发挥单片机系统顺序数据处理的长处;另一方面,恰恰由于单片机对命令的执行是按照程序计数器一步步执行的,这就使得多端口同时进行高频率,无相位差,高精度的并行输出几乎成为不可能。
(2)最可靠的方法是使用面阵CCD厂商生产的专用芯片然而成本高且通用性差常常使低端的面阵CCD开发者望而却步。
(3)最灵活,通用性最高,可靠性也有保障且成本相对低廉的方法是使用CPLD(FPGA价格较为昂贵)CPLD作为一种十分通用的数字逻辑设计电路,可以通过软件设计完全取代硬件数字电路设计的工作。
通过原理图或硬件描述语言的输入方式可以很方便的实现数字时序的多端口并行且高相位精度的输出。
由于常用的CPLD通常有多个时钟入口以及可适应多种电平规则的输入输出接口,故而可实现不同电平规则的器件协同工作。
在同步设计的前提下,竞争冒险很少发生......诸多优势,使得CPLD成为本课题时序发生器的首选。
2.3行间转移面阵CCD驱动系统方案设计
2.3.1基本方案
(1)通过VHDL编程实现面阵CCD驱动时序的CPLD内部逻辑。
(2)根据ICX098AK行间转移面阵CCD的特点设计基于CPLD的驱动时序发生及驱动脉冲合成电路和外围支持电路。
(3)设计此面阵CCD及其他电路的上电控制及电源支持系统。
2.3.2ICX098AK工作特点
本课题所使用的面阵CCD芯片是SONY公司生产的行间转移面阵CCD,型号是ICX098AK。
它的有效像元数为659(H)*494(V),其像敏单元尺寸为5.6μm(H)*5.6μm(V)。
光学暗区为:
水平方向前2两像素,后31像素。
垂直方向前8像素,后2像素。
水平驱动频率为12.27MHz。
它有两种工作模式,逐行扫描模式和隔行扫描模式(监控模式)其寄存器特征及管脚定义如图2-1所示。
图2-1ICX098AK芯片构架
在逐行扫描模式下,控制面阵CCD信号输出的脉冲共有7路,其中4路垂直转移脉冲,两路水平转移脉冲,一路复位脉冲。
控制面阵CCD外围电路对CCD输出进行处理和同步的信号共有15路,在此暂不赘述,具体详情请见第3章。
2.3.3基于VHDL的驱动时序设计流程
VHDL语言最大的特点就是它是一种抽象的行为级描述的语言,这一特点使得它的应用范围十分广泛,大至航空航天(如洛克希德.马丁公司为美国军方生产的F22猛禽战机航电控制系统)小至消费电子(如电子手表),只要用到数字电子系统的地方,都是VHDL的用武之地。
面阵CCD的驱动,最关键的就是驱动时序的生成,而可编程器件高速度、多端口、并行性恰恰符合面阵CCD驱动时序产生的要求,所以在面阵CCD驱动的设计方面,可编程逻辑器件是完全能胜任的。
图2-2VHDL的设计流程
通过对可编程器件的编程,即可实现驱动时序发生器的功能。
基于VHDL语言的驱动时序的设计在流程上与原理图设计方式是大同小异的,如图2-2所示。
为保证程序的可靠性和适用性,在设计过程中通常需要考虑多种现实因素。
比如,如果基于特定器件编程,就必须考虑器件资源的使用率,包括宏单元使用率,端口使用率等等;如果驱动频率很高,就必须考虑器件内部线路的延迟对时序输出关系造成的影响;如果器件工作在比较恶劣的环境,尤其是需考虑温度因素的场合,就必须在意温度对器件工作速度的影响;等等。
现实设计与理论设计的根本不同就在于现实因素的复杂性,这是一个多领域交叉的范畴。
2.3.4面阵CCD支持电路及驱动脉冲合成器总体构架
驱动时序生成器之时序输出的正确固然是CCD正常工作的重要前提,而面阵CCD不是仅有时序就能工作的。
通常情况下,面阵CCD的正常工作需要三值电平的脉冲驱动(正压、负压和基准电平),而且其中的正压和负压的上电顺序有较严格的要求。
这就提出了两个问题:
(1)如何由双电平的驱动时序合成三电平的驱动脉冲序列?
(2)如何控制正负压电源的上电顺序?
只有解决了上述第一个问题,才能使正确的驱动时序有实际的驱动价值,而第二个问题的解决则是CCD正常工作的保证;于是,这两个问题也就成了CCD驱动电路设计的核心问题。
此系统基本模块构成如图2-3所示。
图2-3面阵CCD基本驱动模块图
2.3.5上电控制及电源支持设计方案
一方面,此部分电路需要输出面阵CCD工作所需的正负两种电压,另一方面,此部分电路要有上电顺序控制及顺序输出的功能。
实现上电顺序的控制有多种方式,比较典型的方式就是通过利用晶体管做开关,由外部控制电平作为控制输入。
如图2-4所示,利用CPLD输出控制三极管的基极,通过34063升压后的输出接PNP三极管的射极。
图2-4一种上电控制电路的原理
另一种方法就是利用专门设计的有上电控制功能的电源芯片。
如Maxim公司生产的MAX685或MAX687芯片。
2.3.6驱动脉冲合成器设计方案
由于经CPLD输出的时序是0-5V双电平逻辑,而实际驱动CCD的垂直转移脉冲是三电平的模拟脉冲,所以必须通过特定机制将对应的逻辑电平序列经模拟电路放大合成成为三值脉冲序列,这种机制通常也有两种。
其中一种是将需要合成的两个逻辑电平脉冲序列经运放电路放大后通过加法电路予以相加,从而得到三值脉冲序列,如图2-5所示。
另一种方法便是使用面阵CCD厂商专门生产的脉冲合成装置。
如本课题面阵CCD芯片对应的CXD1267AN便是这样的一个脉冲合成装置,当然,专用芯片还有一些其他功能,可靠性也比由运放搭建的电路更好。
图2-5驱动脉冲合成器原理示意图
2.4本章小结
本章简要介绍了当前使用VHDL语言做驱动程序,以可编程器件为时序发生装置的面阵CCD器件的驱动电路之一般的设计构架。
并针对面阵CCD驱动的特殊需要提出了多种解决思路。
第3章ICX098AK驱动程序设计与仿真
3.1引言
由于IT形面阵CCD(行间转移面阵CCD)的驱动时序相比线阵CCD驱动时序复杂很多,故而此类驱动时序的生成通常使用语言实现。
在此,笔者使用VHDL语言完成了ICX098AK(SONY公司生产的行间转移面阵CCD芯片)的驱动程序。
在复杂时序电路设计方面,硬件描述语言(HDL)作为一种抽象化的行为级电路设计方式在与可编程逻辑器件结合使用的条件下使得数字电路的设计大为简化。
本章就如何使用VHDL实现面阵CCD(IT型)驱动时序的设计做了完整的阐述。
3.2使用VHDL进行驱动程序的设计
3.2.1面阵CCD驱动时序分析及设计目标
本程序设计的目标是实现行间转移面阵CCD芯片ICX098AK的专用驱动芯片--CXD2450在逐行扫描(ProgressiveScanMode)状态下(如图3-1所示)所有驱动时序的输出。
本面阵CCD的一个工作周期分为光积分阶段和电荷转移两个阶段。
控制曝光量的是Vsub脉冲。
转移阶段,V2A、V2B脉冲在每一场都有一个+15V的高电平,这两个脉冲每间隔两个像素控制着将电荷移入垂直寄存器(请参考图3-1)。
之后,V2a、V2b脉冲及V1、V3共同控制将垂直移位寄存器中的电荷移入水平寄存器。
然后水平寄存器中的电荷将在水平移位脉冲(12.27MHz)的控制下经放大器移出CCD。
请注意垂直移位脉冲V2A是由XSG1和V2a(均为二值数字电平)经脉冲放大、相加合成的。
V2B则是由XSG2和V2b(均为二值数字电平)经脉冲放大、相加合成的。
图3-1ICX098AK不同模式下的信号读出方式
经驱动时序分析可知,所需要实现的基本时序如图3-2、3-3、3-4所示。
图3-2单行驱动时序图
图3-2显示了为实现此面阵CCD正常工作的几路重要时序:
时钟(MCK)、水平转移脉冲(H1,H2)、复位(RG)、取样保持(XSHP、XSHD)、模数转换所用取样保持脉冲(XRS)。
图3-3单行驱动时序图
图3-3显示了垂直转移四路脉冲(V1、V3、V2a、V2b)、光积分脉冲(电子快门VSUB)、以及取样保持控制脉冲(PBLK等)
图3-4驱动脉冲全帧视图
图3-4显示了整帧视图下几路重要的时序,尤其注意V1、FRI、PBLK和ID信号时序。
3.2.2时序信号编程实现的方式
为使得输出的RG、XSHP、XSHD信号保持严格的相位关系,以满足取样保持的需要;观察到此三个信号均为5/1的占空比,决定采用以MCK时钟的6倍频为基本计数时钟(系统时钟),在此基础上生成其他驱动信号。
(1)生成MCK信号使用基本计数分频的方式,以逢三取反的方式实现6分频。
对应的进程程序:
----------MCK:
process(MCK6)
begin
if(MCK
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