VHDL的圖像傳感器TCDl206的驅(qū)動設(shè)計

電荷耦合器件CCD(Charge Couple Device)是集光電轉(zhuǎn)換、電荷儲存、電荷轉(zhuǎn)移為一體的新型光電傳感器件。該器件的主要功能是將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)對其施加特定時序脈沖時，其存儲電荷能在CCD內(nèi)作定向移動，從而實現(xiàn)自掃描．輸出電壓信號的大小與CCD單元存儲的電荷多少成正比，CCD單元存儲電荷多少與光的強度和CCD單元光積分時間成正比。與傳統(tǒng)的光電傳感器相比，CCD圖像傳感器具有輸出噪聲小，動態(tài)范圍大，光譜響應(yīng)范圍寬，分辨率高，輸出信號線性度好，功耗低，體積小，壽命長等優(yōu)點。而CCD應(yīng)用的關(guān)鍵就是獲取驅(qū)動脈沖，這里分析線陣CCD-TCDl206的工作原理和對驅(qū)動時序的要求，在此基礎(chǔ)上設(shè)計合理的脈沖產(chǎn)生方案。該設(shè)計采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD作為硬件設(shè)計平臺，通過超高速硬件描述語言VHDL描述驅(qū)動方案，采用Altera公司的仿真軟件QUARTUS II對其驅(qū)動脈沖進(jìn)行仿真。

1 TCDl206的主要特點
TCDl206是一款高靈敏度、低暗電流、2 160像元的雙溝道線陣CCD圖像傳感器。由2 236個PN結(jié)光電二極管構(gòu)成光敏元陣列，其中前64個和后12個是用作暗電流檢測而被遮蔽的，中間2 160個光電二極管是曝光像敏單元，每個光敏單元的尺寸為長14μm、高14μm，中心距亦為14μm。光敏元陣列總長為30．24 mm。

TCDl206的主要特性有：1)光敏像元數(shù)為2 160像元；2)像敏單元為：14μmxl 414μm(相鄰像元中心距為14μm)；3)光譜范圍為250～l 100 nm：4)光敏區(qū)域采用高靈敏度PN結(jié)作為光敏單元；5)時鐘為二相(5 V)；6)內(nèi)部電路包含采樣保持電路，輸出預(yù)放大電路；7)采用22引腳DIP封裝。

2 TCDl206的結(jié)構(gòu)原理和引腳功能
2．1結(jié)構(gòu)原理
TCDl206是二相電極的雙溝道線型CCD，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。中間一排是由多個光敏二極管構(gòu)成的光敏陣列，有效單元為2 160位，其作用是接收照射到CCD硅片的光，并將其轉(zhuǎn)化成電荷信號，光敏元兩側(cè)是存儲其電荷的MOS電容列一存儲柵。MOS電容列兩側(cè)是轉(zhuǎn)移柵電極SH。轉(zhuǎn)移柵的兩側(cè)為CCD模擬移位寄存器，其輸出部分由信號輸出單元和補償單元構(gòu)成。

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2．2引腳功能
TCDl206器件采用DIP封裝，各引腳功能如表1所示。

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3 驅(qū)動時序及驅(qū)動設(shè)計
3．1驅(qū)動時序分析
TCDl206在圖2所示的驅(qū)動脈沖作用下工作。當(dāng)SH脈沖高電平到來時，φ1脈沖為高電平，其下形成深勢阱，同時SH的高電平使φ1電極下的深勢阱與MOS電容存儲勢阱溝通。MOS電容中的信號電荷包通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到模擬移位寄存器的φ1電極下的勢阱中。當(dāng)φSH由高變低時，φSH低電平形成的淺勢阱將存儲柵下的勢阱與φ1電極下的勢阱隔離開。存儲柵勢阱進(jìn)入光積分狀態(tài)，而模擬移位寄存器將在φ1與φ2脈沖的作用下驅(qū)使轉(zhuǎn)移到φ1電極下的勢阱中的信號電荷向左轉(zhuǎn)移，并經(jīng)輸出電路由OS電極輸出。DOS端輸出補償信號。
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由于結(jié)構(gòu)上的安排，OS端首先輸出 13個虛設(shè)單元信號，再輸出51個暗信號，然后才連續(xù)輸出Sl到S2160的有效像素單元信號。第S2160信號輸出后，又輸出9個暗信號，再輸出2個奇偶檢測信號，以后是空驅(qū)動?？镇?qū)動的數(shù)目可以是任意的。由于該器件是兩列并行分奇偶傳輸?shù)?，所以在一個SH周期中至少要有1 118個φ1脈沖。RS為復(fù)位級的復(fù)位脈沖，復(fù)位一次輸出一個信號。

3．2驅(qū)動電路設(shè)計

驅(qū)動電路的作用是給CCD提供正常工作所需要的邏輯時序脈沖和偏置工作電壓．并在CCD的輸出端把光電轉(zhuǎn)換得到的電荷量轉(zhuǎn)變成電壓量輸出。驅(qū)動脈沖信號的波形、相位、前后沿時間等對器件工作有很大影響。

為了保證CCD工作穩(wěn)定可靠．必須設(shè)計符合CCD正常工作要求的時序脈沖和驅(qū)動控制電路，驅(qū)動控制脈沖與CCD良好配合，才能充分發(fā)揮CCD的光電轉(zhuǎn)換、電荷存儲和電荷轉(zhuǎn)移等功能。不同型號的CCD要求的工作參數(shù)不同，很難設(shè)計一種驅(qū)動控制電路同時滿足多種CCD工作需要，即使是相同像元數(shù)的CCD器件，若型號不同也不具有互換性。

TCDl206傳感器的驅(qū)動脈沖都為周期性方波，但周期和占空比不同。其4路驅(qū)動脈沖之間需要滿足特定的時序關(guān)系：根據(jù)驅(qū)動脈沖時序圖可知在1個SH周期中至少有l(wèi) 118個φ1脈沖。即TSH>l 118T1，T1為驅(qū)動脈沖φ1的周期。這里選擇TSH=1 128T1。在SH為高電平期間，要求φ1l與φ2有一個大于SH=1持續(xù)時間的寬脈沖，這是由于此時像元中的電荷正在向兩列寄存器中轉(zhuǎn)移，如果在此期間φ1與φ2有上升或下降沿出現(xiàn)，則會造成電荷轉(zhuǎn)移不完全的情況。時鐘脈沖φ1，φ2頻率的最大值是l MHz，典型值是0．5 MHz。復(fù)位脈沖RS頻率的最大值是2 MHz，典型值是1 MHz。本設(shè)計中都選用典型值。而且φ1、φ2必須反相，占空比l：l；SH的高電平脈沖寬度要小于φ1，φ2；RS與CLK時鐘的占空比為l：4。

3．2．1原理圖設(shè)計
確定SH、φ1、φ2和RS的參數(shù)后，則可根據(jù)它們之間的時序關(guān)系設(shè)計硬件邏輯圖，如圖3所示。

本設(shè)計利用CPLD作為硬件設(shè)計平臺，它具有較高的靈活性，電子電路設(shè)計完成后，如果需修改時序邏輯。只需重寫CPLD內(nèi)部邏輯電路即可。因此，CPLD非常適合用于設(shè)計CCD驅(qū)動電路。

各個模塊的設(shè)計采用VHDL語言描述。采用4 MHz的時鐘CLK作為輸入的時鐘，Dl模塊用于將時鐘信號進(jìn)行8分頻，將4 MHz的時鐘頻率分成0．5 MHz。D2模塊是將時鐘頻率分成l MHz，占空比為l：4。COUNTERll28模塊和NCOUNTERll28模塊分別是上升沿和下降沿計數(shù)，計數(shù)范圍在0～1128之間循環(huán)，在前兩個時鐘為高電平，其余時間都為低電平。

電路實現(xiàn)是先用D1模塊將4 MHz的時鐘頻率分成0．5 MHz，用0．5 MHz的脈沖作為COUNTERll28和NCOUNTERll28的輸入端，將COUNTERll28和NCOUNTERll28的輸出相與，輸出結(jié)果就是SH，將D1和COUNTERll28以及NCOUNTERll28的輸出進(jìn)行邏輯或，則得到φ1，再將φ1反相，得到φ2，由D2模塊可直接得到RS。

3．2．2模塊電路的VHDL設(shè)計
每個模塊的VHDL設(shè)計都包括如下部分：1)定義所需的庫函數(shù)；2)定義輸入、輸出端口；3)對設(shè)計所需預(yù)置數(shù)初始化；4)相關(guān)功能的實現(xiàn)語句。CCD驅(qū)動程序主體部分設(shè)計如下：

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4 設(shè)計結(jié)果仿真
圖4是在Altem公司的QUARTUS II開發(fā)系統(tǒng)中仿真的波形．從圖中可以看出，產(chǎn)生的4路驅(qū)動脈沖完全滿足TCDl206所需的時序脈沖，達(dá)到驅(qū)動要求。
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5 結(jié)束語
VHDL是一種自上向下設(shè)計的硬件描述語言，同時又具有高級語言的特性，這使得用這種硬件描述語言設(shè)計的邏輯功能比較容易實現(xiàn)。同時VHDL語言具有很好的可重用性和可移植能力，能夠減輕工作量。利用VHDL設(shè)計整個傳感器的驅(qū)動，并與硬件原理圖相結(jié)合，不同于以往以單純的硬件設(shè)計實現(xiàn)，這樣不僅利于修改而且設(shè)計周期短。因此，基于VHDL對TCDl206驅(qū)動電路的設(shè)計是一種較實用的設(shè)計方案。