基于CPLD的CCD驱动模块设计

2019-10-17 14:37:45 网络

1 总体方案设计

线阵 CCD 一般不能直接在测量装置中使用，因此 CCD 驱动信号的产生及输出信号的处理是设计高精度、高可靠性和高性价比线阵 CCD 驱动模块的关键。

传统驱动 CCD 的设计方法使 CCD 的工作频率较慢，信号输出噪声增大，不利于提高信噪比，不能应用于要求快速测量的场合。而用可编程逻辑器件 CPLD 进行驱动，则可提高脉冲信号相位关系的精度，以及提供给 CCD 驱动脉冲信号的频率，而且调试容易、灵活性高。目前，在工业技术中，多采用基于 CPLD 的驱动电路实现线阵 CCD 的驱动。系统框图如图 1 所示。

图 1 基于 CPLD 的线阵 CCD 的驱动电路

2 硬件设计

2. 1 CPLD 的硬件电路的设计

以 CPLD（ Complex Programmable Logic Device）器件为核心，设计线阵 CCD 的驱动电路。然后在其基础上扩展，选择其他元器件，设计出与其相配套的电路部分，经调试后组成硬件系统。

CPLD 的电路由 5 部分组成，有源晶振向 EPM240T100C5N 的 U1A 的 IO/GCLK0 口输入时钟脉冲 CLK0，提供了 CPLD 工作的时钟脉冲，因为时序逻辑的需要。U1C 从 JTAG 端口中下载程序，U1B 的 52、54、56、58 口输出脉冲信号。U1D 管脚接 3. 3 V 电压，U1E 管脚接地。电路原理如图 2 所示。

图 2 CPLD 的电路原理图

2. 2 DC /DC 模块的设计

为得到 CPLD 所需的电压，外接电源需要经过 DC /DC 模块进行转换。为进一步减少输出纹波，可在输入输出端连接一个 LC 滤波网络，电路原理如图 3 所示。

图 3 DC/DC 模块的电路原理图设计

2. 3 稳压模块的电路设计

由 DC /DC 模块转换的直流电压，经过一个 R11 电阻和一个发光二极管接地，发光二极管指示灯，然后从 AMS 芯片的 Vin 端输入，进入到芯片的内部，经过一系列的计算，从 Vout 输出 3. 3 V 电压，GND 端端口接地。为消除交流电的纹波，电路采用电容滤波，分别用 0. 1 μF 的极性电容和 10 μF 的非极性电容组成一个电容滤波网络。电路原理如图 4 所示。

图 4 稳压模块的电路设计

2. 4 CCD 电路设计

CCD 电路采用 TCD1500C，它是一个高灵敏度、低暗流、5340 像元的线阵图像传感器。其像敏单元大小是 7 μm × 7 μm × 7 μm，相邻像元中心距 7 μm，像元总长 37. 38 mm. 该传感器可用于传真、图像扫描和 OCR.TCD1500C 的测量精度和分辨率都很高，并且只需 4 路驱动信号： SH、φ、RS、SP。电路原理如图 5 所示。

图 5 CCD 模块电路原理图

2. 5 电平转换的电路设计

由于 CPLD 输出的驱动脉冲电压为 3. 3 V，而 CCD 工作所需的驱动脉冲为 5 V，所以需要在 CPLD 和 CCD 之间加入一个电平转换电路。电路原理如图 6 所示。

图 6 电平转换的电路原理图

3 软件设计

系统软件采用 Verilog HDL 硬件描述语言，按照模块化的思路设计，将要完成的任务分成为多个模块，每个模块由一个或多个子函数完成。这样能使设计思路清晰、移植性强，在调试软件时容易发现和改正错误，降低了软件调试的难度。程序中尽量减少子函数之间的相互嵌套调用，这样可以减少任务之间的等待时间，提高系统处理任务的能力［7 - 8］。主程序如图 7 所示。

图 7 主程序流程图

SH 是一个光积分信号，SH 信号的相邻两个脉冲之间的时间间隔代表了积分时间的长短。光积分时间为 5 416 个 RS 周期，对系统时钟进行光积分的分频，实现了 SH 信号脉冲。在光积分阶段，SH 为低电平，它使存储栅和模拟移位寄存器隔离，不会发生电荷转移。时钟脉冲φ 为典型值 0. 5 MHz 时，占空比为 50%，占空比是指高电平在一个周期内所占的时间比率。它是 SH 信号和占空比为 50%的一个 0. 5 MHz 的脉冲信号叠加，所以 0. 5 MHz 的信号和 SH 信号通过一个或门，就可以实现φ 信号；输出复位脉冲 RS 为 1 MHz，占空比 1∶ 3. 此外，RS 信号和 SH、φ 信号有一定的相位关系，通过一个移位寄存器移相，来实现 RS 脉冲信号。

4 仿真实验

系统时钟周期部分设置为 1 ns，正常工作时复位信号 RS 为高电平，然后对 RS、φ、SH 信号进行仿真，结果如图 8 所示。

图 8 QuartusⅡ仿真效果图

5 结束语

研究的线阵 CCD 驱动电路主要是以 CPLD 为驱动中心而设计，这种方案减少了以往驱动电路的电路体积大、设计复杂、调试困难等缺点，增加了系统的稳定性、可靠性，集成度高且抗干扰能力强。通过对硬件和软件大量的模拟实验表明，文中所研究的线阵 CCD 驱动脉冲信号能够满足 CCD 工作所需的基本功能，达到了设计要求。