FPGA和ARM在线阵CCD信号采集器当中的设计使用

郑静雅

摘要：本文针对线阵CCD信号采集器提出了基于FPGA和ARM的设计方法，选用了S3C2440和XC3S500E芯片进行了信号采集器的硬件电路的设计，采用了VHDL和C编程语言进行软件设计，并进行相关的实验设计。设计结果表明，这种信号采集器能够完成CCD信号的采集、存储、处理等操作，具有信号质量好、人机交互性优良、传输速率高等优点，具有很好的实际应用价值。

关键词：ARM FPGA 信号采集器

中图分类号：TP316.81 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）07-0127-01

CCD信号采集器具有灵敏度高、精度高、视场大等特点被广泛的应用在了监测、非接触测量等当中。CCD信号采集器的正常工作需要准确的脉冲信号来驱动，一般传统的方法采用了分立式和单片机两种驱动方式，这两种方式由比如调试困难、驱动频率低等特点，并不能够满足实际的应用需求。并且目前大多数的线阵CCD信号采集系统多数采用了USB接口，不能实现远距离数据的传输。

1 基于FPGA和ARM的线阵CCD信号采集器方案设计

线阵CCD信号采集器采用FPGA和ARM设计，选用XC3S500E（FPGA）和S3C2440（ARM）这两款芯片。XC3S500E有10476个逻辑单元，1164个可配置的逻辑模块，73Kb的分布式RAM，360Kb块RAM，20个能够选择的乘法器等。S3C2440则是一款功耗低、性能高、成本低的微处理器，能够完成数据的精准传输。

基于FPGA和ARM的线阵CCD信号采集器由线阵CCD，模拟前端处理模块，电平匹配模块，ARM处理传输模块，FPGA采集存储模块等组成，组成框图如图1所示。

FPGA采集存储模块为CCD信号采集器提供脉冲驱动时序信号，CCD输出信号进入模拟前端处理模块，输出的数字信号按照奇偶帧排练，分别被写入到FPGA的2个双口的RAM当中去，双口RAM当中的信号由ARM处理器模块获取，通过网络发送到上位机当中去。

2 CCD信号采集器电路设计

2.1 线阵CCD

本文设计的采集器选用了TCD1209线阵CCD，该CCD具有2048个有效的像素，最高的工作频率能够达到20MHz。CCD需要转移脉冲、相位脉冲、复位脉冲、钳位脉冲等脉冲信号驱动其正常的工作。脉冲信号由XC3S500E产生，通过输入输出管脚来提供驱动信号，这种驱动信号的提供方式操作简单，并且易于调试。

2.2 电平匹配电路

需要在TCD1209D和FPGA中间加电平匹配信号，这样 FPGA的I/O端口能够提供LVCMOS电平信号才能够转变成TCD1209D需要的5V脉冲信号。本文采用了一款融合亚微米技术的CMOS反向器74VHCT04A做为电平匹配芯片，该芯片能够提供6路反向输出正好能够满足CCD当中6路驱动信号的，并且驱动频率也能够完全满足要求。

2.3 前端处理电路设计

采用AD9945芯片对TCD1209D当中输出的模拟图像信号进行处理，AD9945作为一款应用在电荷耦合器件当中的模拟信号处理芯片，采样频率达到40MHz，芯片内部主要有低噪声钳位电路、可调增益放大器、采用电路、数模转换器等组成，通过AD9945提供的驱动信号能够进行芯片的配置。

2.4 网络接口电路的设计

选用DM900作为网络接口芯片，该芯片能够完成信号的远距离传输，DM200和S2C2440 ARM处理器的控制总线、地址总线、数据总线等相连，同时和RJ45以太网接口相连。

3 线阵CCD信号采集器实验分析

线阵CCD信号采集器的实验系统由CCD信号采集器和上位机侧视平台两个部分组成，其中上位机测试平台又是由VHDL编写的上位机和Ethereal软件组成。Ethereal软件是一款能够抓取采集器发送的UDP数据包的嗅探软件，而VHDL编写的上位机的功能主要是将高低位8位数字信号再还原成16位数据，Ethereal将抓取到的数据导入到上位机当中，从而完成显示数据。

本采集器当中的FPGA开发环境是XILINX ISE 4.1，进行实验验证时候需要对TCD1209D需要的每个脉冲信号进行测试，为了验证驱动信号的正确与否，可以通过测试TCD1209D的输出端的信号，验证提供的脉冲驱动信号正确。

然后通过对线阵CCD信号采集系统的实验，验证线阵CCD信号采集器的工作状态时候正常，遮挡CCD部分，观察上位机上的数据，数据如下图所示，结果表明，基于FPGA和ARM的线阵CCD信号采集器正确的采集、存储、处理了信号。

4 结语

本文基于FPGA和ARM设计了线阵CCD信号采集器，阐述了系统的设计体系，分析了电路当中的模块结构，该信号采集器人机交互良好并且组网方便快捷，在工业生产监测当中能够得到广泛的使用。

参考文献

[1]陈曦.基于ARM和FPGA的高速便携式数据采集前端的设计.南京：南京航空航天大学，2010.

[2]孙鑫明.基于以太网的大型锻件多路超声检测器的研究.天津：天津工业大学，2013.