基于FPGA的面阵CCD驱动时序设计

韩军　杨少华　尚小燕

摘要： 针对柯达公司的前照明行间转移型面阵CCD KAI0340，对它的驱动时序进行详细的分析，设计满足CCD工作脉冲的驱动时序。采用Altera公司的可编程逻辑器件（FPGA）作为核心控制器件，完成自顶而下的模块设计，实现了硬件电路设计的软件化，开发效率得到了提高，软件程序可重复编程和修改。实验的仿真结果表明，设计的驱动时序能够满足CCD KAI0340的正常工作。

关键词： 面阵CCD； 行间转移； 驱动时序； FPGA

中图分类号： TP 336文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.014

引言

CCD具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率高等优点[1]，随着CCD器件本身工艺的改进，其成像质量和器件本身可靠性也得到了进一步的提高[2]，因此CCD在科研、运动领域获得了广泛的应用。就目前而言，提高帧频有两种方法：（1）提高CCD的像素时钟；（2）将CCD分成多个通道同时输出。前者受器件极限参数的限制，效果不明显[3]。因此，本文选用CCD KAI0340，采用双通道同时输出的方法，从而达到提高帧频的目的。

1行间转移型面阵CCD的结构和工作原理

KAI0340是柯达公司的一款行间转移型面阵CCD图像传感器，其结构如图1所示，最下方的4行是挡光的黑像元行，上方的488行是感光像元行；在这488行像元中，最上方和最下方的4行作为缓冲行，因此实际有用的像元为480行；最大的像素时钟频率为40 MHz，并在双输出通道工作方式下工作，每行输出CCD信号，其中包括12个哑像素、24个黑像素和324个感光像素[4]。

KAI0340的工作原理是：感光区内的电荷在电子快门的作用下被清除掉，然后在电子快门时钟结束后开始新的光积分，当光积分阶段结束后，电荷开始从成像区转移到存储区，垂直转移时钟把电荷从存储区逐行转移到水平寄存器中，最后在水平转移时钟的作用下电荷转移到CCD的输出端，到此CCD完成了一个工作的周期。

2行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路的设计

行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路主要包括：供电模块、驱动器电路、驱动时序产生模块三部分。其中最主要的是驱动时序的产生模块，本文使用现场可编程门阵列（FPGA）作为设计驱动时序的核心器件，产生CCD正常工作的时序信号[5]，包括水平时序信号、垂直时序信号、电子快门时序信号和复位时钟信号四部分。

4应用Verilog HDL语言的驱动时序设计

QuartusⅡ软件的输入有多种方式：原理图输入法、状态图输入法、Verilog HDL语言输入法。其中原理图方式类似于硬件电路的原理图设计，利用基本的门电路符号或模块完成设计；Verilog HDL作为一种硬件描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是当前系统硬件设计语言的主流[7]。运用Verilog语言设计系统能够高效直接地描述设计，直观、快速建立设计，并高效地调整和修改设计的整体和细节。

在Altera公司的QuartusⅡ开发环境下，采取自顶向下的设计方法，图5为设计原理图。在完成程序的输入后，由Quartus软件平台进行编译和仿真，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计目标，同时进行逻辑优化；反复上述过程完成设计过程，通过JTAG 接口为硬件芯片进行编程，进入到实体电路功能验证阶段。

5行转移型面阵CCD KAI0340时序的仿真

本文的时序仿真是在Altera公司的QuartusⅡ集成开发环境下进行的，使用Verilog程序的输入[8]，在QuartusⅡ软件平台进行编译和仿真[9]，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计的目标，同时可进行逻辑优化。

垂直转移是垂直寄存器中的电荷向水平寄存器转移，转移过程由控制信号V1和V2控制，垂直转移控制信号的仿真如图6所示。

6结论

本文详细地研究了CCD KAI0340的时序，使用FPGA器件作为设计驱动时序的核心，其时序的设计方法可以使CCD同时支持2路输出，提高了帧频，由于驱动时序的设计是可再编程的，所以如果想要改变其中的部分功能，可以在不改变硬件电路的情况下，只需要重新编程就可以达到实现功能的改变。

参考文献：

[1]王庆有.图像传感觉器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2006：3060.

[2]刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI1010M的高速驱系统设计[J].光学 精密工程，2008，16（9）：16221628.

[3]张达，徐抒岩.高速多通道CCD信号并行处理系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2008，26（3）：281286.

[4]余达，郭永飞，周怀得，等.面阵CCD KAI0340高速相机的设计[J].光学 精密工程，2011，19（11）：27912799.

[5]许秀贞，李自田，李长乐.基于CPLD的可选输出CCD驱动时序的设计[J].光子学报，2004，33（12）：15041507.

[6]李余，刘金国，张明宇，等.基于FPGA的行间转移面阵CCD驱动电路设计[J].微计算机信息，2009，25（52）：274275.

[7]兰荣清.线阵CCD驱动设计新方法[J].光电子 激光，1997，8（4）：295297.

[8]刑建平.Verilog HDL程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2005：31191.

[9]周润景.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007：336392.

摘要： 针对柯达公司的前照明行间转移型面阵CCD KAI0340，对它的驱动时序进行详细的分析，设计满足CCD工作脉冲的驱动时序。采用Altera公司的可编程逻辑器件（FPGA）作为核心控制器件，完成自顶而下的模块设计，实现了硬件电路设计的软件化，开发效率得到了提高，软件程序可重复编程和修改。实验的仿真结果表明，设计的驱动时序能够满足CCD KAI0340的正常工作。

关键词： 面阵CCD； 行间转移； 驱动时序； FPGA

中图分类号： TP 336文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.014

引言

CCD具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率高等优点[1]，随着CCD器件本身工艺的改进，其成像质量和器件本身可靠性也得到了进一步的提高[2]，因此CCD在科研、运动领域获得了广泛的应用。就目前而言，提高帧频有两种方法：（1）提高CCD的像素时钟；（2）将CCD分成多个通道同时输出。前者受器件极限参数的限制，效果不明显[3]。因此，本文选用CCD KAI0340，采用双通道同时输出的方法，从而达到提高帧频的目的。

1行间转移型面阵CCD的结构和工作原理

KAI0340是柯达公司的一款行间转移型面阵CCD图像传感器，其结构如图1所示，最下方的4行是挡光的黑像元行，上方的488行是感光像元行；在这488行像元中，最上方和最下方的4行作为缓冲行，因此实际有用的像元为480行；最大的像素时钟频率为40 MHz，并在双输出通道工作方式下工作，每行输出CCD信号，其中包括12个哑像素、24个黑像素和324个感光像素[4]。

KAI0340的工作原理是：感光区内的电荷在电子快门的作用下被清除掉，然后在电子快门时钟结束后开始新的光积分，当光积分阶段结束后，电荷开始从成像区转移到存储区，垂直转移时钟把电荷从存储区逐行转移到水平寄存器中，最后在水平转移时钟的作用下电荷转移到CCD的输出端，到此CCD完成了一个工作的周期。

2行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路的设计

行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路主要包括：供电模块、驱动器电路、驱动时序产生模块三部分。其中最主要的是驱动时序的产生模块，本文使用现场可编程门阵列（FPGA）作为设计驱动时序的核心器件，产生CCD正常工作的时序信号[5]，包括水平时序信号、垂直时序信号、电子快门时序信号和复位时钟信号四部分。

4应用Verilog HDL语言的驱动时序设计

QuartusⅡ软件的输入有多种方式：原理图输入法、状态图输入法、Verilog HDL语言输入法。其中原理图方式类似于硬件电路的原理图设计，利用基本的门电路符号或模块完成设计；Verilog HDL作为一种硬件描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是当前系统硬件设计语言的主流[7]。运用Verilog语言设计系统能够高效直接地描述设计，直观、快速建立设计，并高效地调整和修改设计的整体和细节。

在Altera公司的QuartusⅡ开发环境下，采取自顶向下的设计方法，图5为设计原理图。在完成程序的输入后，由Quartus软件平台进行编译和仿真，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计目标，同时进行逻辑优化；反复上述过程完成设计过程，通过JTAG 接口为硬件芯片进行编程，进入到实体电路功能验证阶段。

5行转移型面阵CCD KAI0340时序的仿真

本文的时序仿真是在Altera公司的QuartusⅡ集成开发环境下进行的，使用Verilog程序的输入[8]，在QuartusⅡ软件平台进行编译和仿真[9]，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计的目标，同时可进行逻辑优化。

垂直转移是垂直寄存器中的电荷向水平寄存器转移，转移过程由控制信号V1和V2控制，垂直转移控制信号的仿真如图6所示。

6结论

本文详细地研究了CCD KAI0340的时序，使用FPGA器件作为设计驱动时序的核心，其时序的设计方法可以使CCD同时支持2路输出，提高了帧频，由于驱动时序的设计是可再编程的，所以如果想要改变其中的部分功能，可以在不改变硬件电路的情况下，只需要重新编程就可以达到实现功能的改变。

参考文献：

[1]王庆有.图像传感觉器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2006：3060.

[2]刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI1010M的高速驱系统设计[J].光学 精密工程，2008，16（9）：16221628.

[3]张达，徐抒岩.高速多通道CCD信号并行处理系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2008，26（3）：281286.

[4]余达，郭永飞，周怀得，等.面阵CCD KAI0340高速相机的设计[J].光学 精密工程，2011，19（11）：27912799.

[5]许秀贞，李自田，李长乐.基于CPLD的可选输出CCD驱动时序的设计[J].光子学报，2004，33（12）：15041507.

[6]李余，刘金国，张明宇，等.基于FPGA的行间转移面阵CCD驱动电路设计[J].微计算机信息，2009，25（52）：274275.

[7]兰荣清.线阵CCD驱动设计新方法[J].光电子 激光，1997，8（4）：295297.

[8]刑建平.Verilog HDL程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2005：31191.

[9]周润景.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007：336392.

摘要： 针对柯达公司的前照明行间转移型面阵CCD KAI0340，对它的驱动时序进行详细的分析，设计满足CCD工作脉冲的驱动时序。采用Altera公司的可编程逻辑器件（FPGA）作为核心控制器件，完成自顶而下的模块设计，实现了硬件电路设计的软件化，开发效率得到了提高，软件程序可重复编程和修改。实验的仿真结果表明，设计的驱动时序能够满足CCD KAI0340的正常工作。

关键词： 面阵CCD； 行间转移； 驱动时序； FPGA

中图分类号： TP 336文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.014

引言

CCD具有信号输出噪声低、动态范围大、量子效率高等优点[1]，随着CCD器件本身工艺的改进，其成像质量和器件本身可靠性也得到了进一步的提高[2]，因此CCD在科研、运动领域获得了广泛的应用。就目前而言，提高帧频有两种方法：（1）提高CCD的像素时钟；（2）将CCD分成多个通道同时输出。前者受器件极限参数的限制，效果不明显[3]。因此，本文选用CCD KAI0340，采用双通道同时输出的方法，从而达到提高帧频的目的。

1行间转移型面阵CCD的结构和工作原理

KAI0340是柯达公司的一款行间转移型面阵CCD图像传感器，其结构如图1所示，最下方的4行是挡光的黑像元行，上方的488行是感光像元行；在这488行像元中，最上方和最下方的4行作为缓冲行，因此实际有用的像元为480行；最大的像素时钟频率为40 MHz，并在双输出通道工作方式下工作，每行输出CCD信号，其中包括12个哑像素、24个黑像素和324个感光像素[4]。

KAI0340的工作原理是：感光区内的电荷在电子快门的作用下被清除掉，然后在电子快门时钟结束后开始新的光积分，当光积分阶段结束后，电荷开始从成像区转移到存储区，垂直转移时钟把电荷从存储区逐行转移到水平寄存器中，最后在水平转移时钟的作用下电荷转移到CCD的输出端，到此CCD完成了一个工作的周期。

2行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路的设计

行间转移型面阵CCD KAI0340的驱动电路主要包括：供电模块、驱动器电路、驱动时序产生模块三部分。其中最主要的是驱动时序的产生模块，本文使用现场可编程门阵列（FPGA）作为设计驱动时序的核心器件，产生CCD正常工作的时序信号[5]，包括水平时序信号、垂直时序信号、电子快门时序信号和复位时钟信号四部分。

4应用Verilog HDL语言的驱动时序设计

QuartusⅡ软件的输入有多种方式：原理图输入法、状态图输入法、Verilog HDL语言输入法。其中原理图方式类似于硬件电路的原理图设计，利用基本的门电路符号或模块完成设计；Verilog HDL作为一种硬件描述语言，其编程结构类似于计算机中的C语言，在描述复杂逻辑设计时非常简洁，具有很强的逻辑描述和仿真能力，是当前系统硬件设计语言的主流[7]。运用Verilog语言设计系统能够高效直接地描述设计，直观、快速建立设计，并高效地调整和修改设计的整体和细节。

在Altera公司的QuartusⅡ开发环境下，采取自顶向下的设计方法，图5为设计原理图。在完成程序的输入后，由Quartus软件平台进行编译和仿真，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计目标，同时进行逻辑优化；反复上述过程完成设计过程，通过JTAG 接口为硬件芯片进行编程，进入到实体电路功能验证阶段。

5行转移型面阵CCD KAI0340时序的仿真

本文的时序仿真是在Altera公司的QuartusⅡ集成开发环境下进行的，使用Verilog程序的输入[8]，在QuartusⅡ软件平台进行编译和仿真[9]，从而验证设计的功能和时序特性是否符合设计的目标，同时可进行逻辑优化。

垂直转移是垂直寄存器中的电荷向水平寄存器转移，转移过程由控制信号V1和V2控制，垂直转移控制信号的仿真如图6所示。

6结论

本文详细地研究了CCD KAI0340的时序，使用FPGA器件作为设计驱动时序的核心，其时序的设计方法可以使CCD同时支持2路输出，提高了帧频，由于驱动时序的设计是可再编程的，所以如果想要改变其中的部分功能，可以在不改变硬件电路的情况下，只需要重新编程就可以达到实现功能的改变。

参考文献：

[1]王庆有.图像传感觉器应用技术[M].北京：电子工业出版社，2006：3060.

[2]刘金国，余达，周怀得，等.面阵CCD芯片KAI1010M的高速驱系统设计[J].光学 精密工程，2008，16（9）：16221628.

[3]张达，徐抒岩.高速多通道CCD信号并行处理系统[J].吉林大学学报（信息科学版），2008，26（3）：281286.

[4]余达，郭永飞，周怀得，等.面阵CCD KAI0340高速相机的设计[J].光学 精密工程，2011，19（11）：27912799.

[5]许秀贞，李自田，李长乐.基于CPLD的可选输出CCD驱动时序的设计[J].光子学报，2004，33（12）：15041507.

[6]李余，刘金国，张明宇，等.基于FPGA的行间转移面阵CCD驱动电路设计[J].微计算机信息，2009，25（52）：274275.

[7]兰荣清.线阵CCD驱动设计新方法[J].光电子 激光，1997，8（4）：295297.

[8]刑建平.Verilog HDL程序设计教程[M].北京：清华大学出版社，2005：31191.

[9]周润景.基于QuartusⅡ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京：电子工业出版社，2007：336392.