基于复杂可编程逻辑器件实现驱动时序控制方案的设计

1． 引言

早在50年代，人们即开始了对紫外探测技术的研究。紫外探测技术是继红外和激光探测技术之后发展期来的又一军民两用光电探测技术。随着紫外探测器、紫外传感器、紫外CCD（UV-CCD）等固体紫外摄像器件的开发和研究，紫外成像系统在紫外预警、紫外制导、指纹检测、皮肤病诊断等领域都取得了较大进展。

紫外成像技术的另一个应用便是检测和定位电晕放电。电晕是电力系统中重要的电能损耗原因之一。电晕放电产生的光辐射大部分是在紫外光区，所以利用中紫外的“日盲”（日盲：大气中的臭氧对太阳辐射中波长在300 nm以下的紫外光有强烈的吸收作用，所以把这一谱区称为“日盲”区）特性进行工作的紫外电晕检测系统便可以全天候地探测到电晕活动而不受日光和其它光谱的干扰，这是常规的电晕照相机办不到的。

本文选用美国Sarnoff公司的UV-CCD——CCD180-512-SFT作为紫外电晕检测系统的成像器件，在分析其工作过程和对驱动时序的要求的基础上设计出合理的时序控制方案。选用复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为硬件设计平台，使用VHDL语言对时序电路方案进行了硬件描述，采用QuartusⅡ对所设计的时序发生器成功地进行了系统仿真。

2． 芯片结构说明

美国Sarnoff公司的CCD180-512-SFT是背照型帧转移面阵UV-CCD，16路信号并行输出，光谱响应范围从200 nm到1000 nm，对紫外光和可见光都有响应，其QE曲线如图1所示。

图1 CCD180-512-SFT光谱响应曲线

CCD180-512-SFT由两个感光区、两个存储区和读出寄存器构成。每个感光区（或存储区）包含有8个子阵列，每个子阵列含有256（行）×64（列）个有效像元，整个像面则由16个子阵列，共512×512个有效像元构成，16路信号分别读出。电荷移动方向如图2中箭头所示，先由感光区转移到存储区，再由存储区逐行转移到读出寄存器顺序读出。16个子阵列有各自独立的读出寄存器和CDS（相关双采样）放大器。信号的输出方式是16个端口并行输出，性能优越。

图2 CCD180-512-SFT芯片结构

CCD180-512-SFT主要性能参数如下：

有效像元：512×512

像元大小：18μm×18μm

像面尺寸：9.22 mm×9.22 mm

最高帧频：400 fps

读出噪声：《50 e- rms at 100 fps

暗电流：VIS 《 0.5 nA/cm2；UV 《 1.0 nA/cm2

光谱响应范围：200 nm to 1000 nm

3．CCD时序分析

由芯片结构可知，CCD的一个工作周期分两个阶段：感光阶段和转移阶段。在感光阶段，光敏区处于积分状态，各光敏单元进行光电转换，光生电荷被收集并存储在势阱中。第一场积分结束后，转为电荷转移状态，此时光敏区与存储区的三相驱动时钟同步变化，光敏区的信号电荷包并行地快速转移到存储区的存储单元中。此后，光敏区又转入第二场的积分状态，在光敏区的整个光积分期间，存储区、水平区的三相时钟和水平转移时钟间歇地变化，每变化一次，存储区向水平区并行转移一行信号电荷包。然后水平区时钟高速变化，驱动一行电荷包快速串行移位读出。如此周而复始，直至将存储区暂存的第一场电荷包全部输出。此后存储区与光敏区的驱动时钟又同步变化，将第二场的积分电荷快速地转移到存储区。此后，重复上述过程。

4．CCD时序电路的设计

4．1 输出输入端的定义

CCD180-512-SFT需要12路驱动信号，分别是感光区三相驱动信号A1、A2、A3；存储区三相驱动信号B1、B2、B3；转移寄存器三相驱动信号C1、C2、C3；三个CDS控制信号：复位信号RESET、箝位信号CLAMP、采样信号SAMPLE。这12路驱动信号由两个输入信号，即时钟输入（CLK）、复位信号（RES）生成。

4．2 CCD时序电路的VHDL语言描述

在QuartusⅡ 软件设计环境下，使用硬件描述语言VHDL，以自顶向下的方式设计CCD驱动时序。

首先是三相时钟的生成。为了确保信号电荷包高效率地定向转移，三相时钟之间必须有一定的相移和交迭，因此，使用由D触发器构成的、带反馈控制的特殊三分频电路来形成三相交迭时钟。其电路原理图如图3所示。

图3 三相交迭时钟生成电路

然后用计数电路来控制光敏区积分和转移的时间。光敏区在积分阶段时，信号A处于直流电位（A1、A3低电平，A2高电平），此时信号B和信号C交替变化，每变化一次读出一行电荷包，当存储区的电荷包全部转移完以后，光敏区积分结束，进入转移时间；在转移阶段，信号A和信号B都处于时钟驱动状态，且同步变化，逐行把信号电荷包从光敏区转移到存储区，此时信号C也处于时钟驱动状态，但无输出。

4．3 CCD时序电路的CPLD实现

结合实际采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）实现该设计［3］。Altera 公司MAX 7000 系列器件是工业界速度最快的高集成度可编程逻辑器件系列，可模仿TTL，并且可将SSI（小规模集成电路）、MSI（中规模集成电路）、LSI（大规模集成电路）的逻辑功能高密度集成［4］。由QuartusⅡ软件根据系统设计选用Altera 公司的EPM7128SLC-84-10。EPM7128SLC-84-10有2500个逻辑门，128个宏单元，8个逻辑阵列块，除了提供时序电路中要求的信号外，还保留了部分的引脚和功能块，以备增加新功能的需要。图4为CCD光积分阶段的系统仿真时序图，图5为CCD帧转移阶段的仿真时序图。

图5 帧转移阶段波形图

5．结论

复杂可编程逻辑器件（CPLD）较其它类型器件具有延时小、设计简便、调试灵活等优点，采用CPLD的驱动时序电路满足CCD180-512-SFT的时序、时延等要求，为紫外电晕检测系统的设计作了准备。而CCD的信号处理器，包括对CCD180-512-SFT输出的16路信号进行箝位放大、增益控制、A/D转换、数据缓存、格式转换等一系列处理则是下一步需要进行的工作。

本文作者创新点：使用对紫外光和可见光均可响应的紫外CCD进行紫外电晕检测，这样就可以全天候地探测到电晕活动而不受日光和其它光谱的干扰，这是常规的电晕照相机办不到的。

责任编辑：gt