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使用FPGA设计CCD驱动传输电路的资料说明

消耗积分:0 | 格式:rar | 大小:14.38 MB | 2019-11-26

  电荷耦合器件CCD是一种图像传感器,作为CCD工业相机的核心部件,被广泛应用于非接触测量。许多的光学实验都需要使用到CCD工业相机,结合实际应用,我们提出了两个问题,分别是能否使用普通CCD芯片设计出高帧频的成像系统,以及能否实现两个CCD相机的同步采集。CCD工业相机的关键技术在于CCD驱动传输电路的设计,为了在实践中解决这两个问题,本文对CCD芯片的驱动脉冲和时序关系进行了详细的分析,设计出了基于FPGA的CCD驱动传输电路。

  驱动CCD芯片的方法有很多,主要可以通过数字电路、单片机、专用IC、DSP、可编程逻辑器件对其进行驱动。采用数字电路驱动,调试难度大,不适合应用于大面阵CCD。单片机虽然灵活性好,但驱动频率较低,不能满足本设计中驱动频率较高的CCD芯片的需求。专用IC芯片虽然集成度高、调试方便,但灵活性不好,也不利于后端传输电路的设计。DSP主要偏重于大量的数字信号处理,成本高,而本设计则偏重于逻辑时序设计,数字信号处理不多。虽然可编程逻辑器件开发难度大,但可以在线编程,程序易于修改,系统集成度高,驱动频率高,是最符合本设计需求的。可编程逻辑器件主要有CPLD和FPGA,CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA更适合完成时序逻辑。而且相比于CPLD,FPGA的规模更大,功能也更强,在数据转移和存储方面更有优势,有利于后端的数据采集及传输,为以后系统的升级提供了更有利的空间。因此,本设计采用FPGA作为整个系统的控制中心。由于Altera公司的CycloneⅡ系列芯片主要应用于逻辑设计和简单的数字信号处理,是一类中性能、低成本的芯片,并从本设计中所需I/O口数量和逻辑单元数量来考虑,最终选择该系列的EP2C8Q208C8芯片。

  本文以解决上述两个问题为前提,用FPGA作为控制中心,设计出了面阵CCD驱动传输电路,包括前端的CCD驱动电路和后端的数据采集、存储和传输电路,后端由A/D转换模块、SDRAM缓存模块和USB接口模块组成。本文的CCD芯片采用的是SONY公司的面阵黑白CCD图像传感器ICX205AL,A/D转换芯片采用的是美国ADI公司的面向CCD的低功耗单通道模拟信号处理器AD9824,SDRAM芯片采用的是Hynix公司的容量为128Mbit的存储器HY57V281620ETP-H,USB接口芯片采用的是Cypress公司的支持USB2.0协议的芯片CY7C68013A。在QuartusⅡ开发平台上,使用Verilog硬件描述语言对各时序电路进行硬件描述。本文主要完成了前端CCD驱动时序电路的设计,完成了后端A/D转换电路的时序设计、缓存器SDRAM的读写时序设计、USB与FPGA通信的时序设计以及USB的固件程序设计,并完成了整个系统的PCB设计。仿真和实际测试结果表明,所有的时序信号均满足设计要求。

  经过研究发现,可以通过超频技术来提高帧转移频率,从而提升成像系统的速度;以及可以通过改变CCD的驱动时序来提高系统的成像速度。但是,对于可超频的范围还需要进一步通过实际测试才能获知。如何实现两个CCD相机的同步采集还需要作进一步的研究。

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