空間面陣ccd相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)

空間面陣ccd相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器設(shè)計(jì)

0機(jī)械構(gòu)成接口設(shè)計(jì)隨著航天技術(shù)的發(fā)展，高度適應(yīng)性的陣列cs相機(jī)廣泛應(yīng)用于振動(dòng)站、空間遙感、對地觀測等領(lǐng)域。由于相機(jī)sd相機(jī)通常探測弱、小、暗信號，因此需要調(diào)整相機(jī)的曝光時(shí)間。現(xiàn)在，對于帶有電子辦公廳lcm的行業(yè)相機(jī)，主要使用機(jī)械門來控制相機(jī)的曝光時(shí)間。e2v公司的CCD47-20Backthinnned/VIMO型CCD,是一款沒有電子快門的背照式面陣幀轉(zhuǎn)移CCD器件.本文在分析了該器件的工作過程和對驅(qū)動(dòng)信號的要求后,基于可編程邏輯器件(CPLD)技術(shù)設(shè)計(jì)了幀頻和積分時(shí)間均可調(diào)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器.并且結(jié)合ALTERA公司的EMP9400LC84-15完成了硬件電路的設(shè)計(jì).1面矩陣噪聲轉(zhuǎn)移cc驅(qū)動(dòng)序控制器的原理1.1cds-20使用背照結(jié)構(gòu)CCD47-20BackthinnedNIMO是英國e2v公司生產(chǎn)的一款低噪音背照式的幀轉(zhuǎn)移面陣CCD,有雙路輸出和單路輸出兩種輸出格式.象元數(shù)為1024象素×1024象素,光譜范圍為200～1000nm,此CCD主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為:采用背照結(jié)構(gòu),具有很高的量子效率,峰值量子效率超過了90%.具有極低的暗電流,特別適合于暗目標(biāo)的探測.讀出噪音小,1MHz讀出速率時(shí),讀出噪音小于6e-.具有帶制冷封裝的產(chǎn)品,大大簡化了CCD制冷設(shè)計(jì).CCD47-20BackthinnnedNIMO芯片由像敏區(qū)、存儲區(qū)、水平移位寄存器和輸出電路等部分組成,如圖1.此CCD芯片共需要15路驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘,它們分別是:成像區(qū)時(shí)鐘TI?1、TI?2、TI?3;存儲區(qū)時(shí)鐘TS?1、TS?2、TS?3;讀出時(shí)鐘TR?1R、TR?2R、TR?3R、T?RR(右路),TR?1L、TR?2L、TR?3L、T?RL(左路);清除電荷用時(shí)鐘DG.這些驅(qū)動(dòng)信號均由CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生.1.2電荷轉(zhuǎn)移的影響此CCD器件的一個(gè)工作周期分兩個(gè)階段:感光階段和轉(zhuǎn)移階段.感光階段實(shí)現(xiàn)感光陣列的電荷積累,幀存儲區(qū)到轉(zhuǎn)移寄存器的電荷轉(zhuǎn)移以及轉(zhuǎn)移寄存器向輸出放大器的電荷輸出;轉(zhuǎn)移階段主要完成感光陣列所積累的電荷向幀存儲區(qū)的轉(zhuǎn)移.在感光階段,感光陣列接受外界光源照射產(chǎn)生電荷,幀轉(zhuǎn)移控制信號TI?1、TI?2、TI?3不變,感光陣列和幀存儲區(qū)之間為阻斷態(tài),不會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象;開始時(shí)由頻率為200kHz交跌時(shí)間為0.5μs的三相行轉(zhuǎn)移控制信號TS?1、TS?2、TS?3控制,電荷逐行轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移寄存器,行轉(zhuǎn)移時(shí),像元轉(zhuǎn)移控制信號R不變,無像元信號輸出;每行信號中,各像元電荷受頻率為1MHz交跌時(shí)間為62.5ns的輸出控制信號TR?1L、TR?2L、TR?3L、T?RL(左路)控制,逐次經(jīng)過輸出放大器輸出,每讀出一行信號,進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移.轉(zhuǎn)移階段,頻率為200kHz交跌時(shí)間為0.5μs的幀轉(zhuǎn)移控制信號TI?1、TI?2、TI?3與行轉(zhuǎn)移控制信號TS?1、TS?2、TS?3相同,且一直有效.像元輸出控制信號R無效,不輸出數(shù)據(jù).進(jìn)入感光階段,存儲區(qū)首先進(jìn)行一次行轉(zhuǎn)移,開始信號的輸出,同時(shí)感光區(qū)像元進(jìn)入電荷積累.為保證信號讀出的完整性,在時(shí)序設(shè)計(jì)時(shí)采用了冗余設(shè)計(jì)的方法:整幀轉(zhuǎn)移的行數(shù)和輸出的行數(shù)均設(shè)定為1033行,比CCD器件的實(shí)際有效行數(shù)1024行多出9行.采用左右兩路同時(shí)輸出格式,左右輸出的象元數(shù)都是536個(gè),則一行輸出的象元數(shù)為1072個(gè).其中每行有1024個(gè)有效象元,16個(gè)空白象元,30個(gè)暗參考象元,2個(gè)隔離象元.1.3cd器件的運(yùn)動(dòng)模式以上的驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系只能滿足空間面陣CCD相機(jī)的最基本的工作條件,這也是相機(jī)最簡單的工作的模式.可是針對CCD相機(jī)探測信號的多變性,這樣的工作模式顯然是不能滿足實(shí)際工作需要的.因此,需要為空間CCD相機(jī)設(shè)計(jì)幀頻和積分時(shí)間均可調(diào)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器.以往采用的途徑有:1)增加每個(gè)行轉(zhuǎn)移工作時(shí)間,即在有效信號轉(zhuǎn)移結(jié)束后,增加空白列以改變每行轉(zhuǎn)移周期,從而增加積分時(shí)間.2)調(diào)整工作頻率.這種方法在改變積分時(shí)間的同時(shí),幀轉(zhuǎn)移階段的時(shí)間也會發(fā)生相應(yīng)的變化.3)增加感光階段的行轉(zhuǎn)移數(shù)量,使行轉(zhuǎn)移數(shù)量大于CCD器件實(shí)際的行數(shù)1024,當(dāng)然1024個(gè)轉(zhuǎn)移周期后之外的信號是無效的.方法1和方法2實(shí)質(zhì)上是相同的.其結(jié)果均造成每一行的轉(zhuǎn)移時(shí)間過長,使得同一幅圖像的第一行和最后一行輸出時(shí)間間隔過大,影響信號質(zhì)量.方法3雖能將一幀圖像的有效信號以最快的速率讀出,可是積分時(shí)間調(diào)節(jié)的下限是所有象元讀出的時(shí)間T3T3=1033*(5.875+536*1)μs=560ms(1)式中5.875μs為行轉(zhuǎn)周期.顯然當(dāng)需要更短的積分時(shí)間時(shí)這種工作模式就無能為力了.CCD器件的驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器幀頻和積分時(shí)間調(diào)節(jié)原理見圖2,分為兩個(gè)部分:1)幀頻的的調(diào)節(jié)是由不同的幀周期T來實(shí)現(xiàn)的;2)在幀頻一定的前提下,將一個(gè)幀周期分為積分、幀轉(zhuǎn)1、讀出、幀轉(zhuǎn)2四個(gè)階段.在積分階段CCD感光區(qū)的感光陣列接受外界光源照射產(chǎn)生電荷,并同時(shí)清除上一幀周期里在讀出階段產(chǎn)生的轉(zhuǎn)移到幀存儲區(qū)的電荷;在幀轉(zhuǎn)1階段將積分階段產(chǎn)生的電荷完全轉(zhuǎn)移到幀存儲區(qū);在讀出階段將幀存儲區(qū)的信號逐行轉(zhuǎn)移到輸出寄存器里并將信號全部輸出,感光區(qū)同時(shí)曝光;在幀轉(zhuǎn)2階段將讀出階段期間,感光區(qū)產(chǎn)生的信號轉(zhuǎn)移到幀存儲區(qū),準(zhǔn)備在下一幀周期的積分階段將其清除.這樣對曝光時(shí)間的調(diào)節(jié),只要保證幀轉(zhuǎn)時(shí)間T2、T4為5.16ms,其中幀轉(zhuǎn)時(shí)間由公式T2=T4=0.005ms×1033=5.16ms(2)計(jì)算得出,以及讀出的時(shí)間T3就可以在一定的幀周期T范圍內(nèi)調(diào)整積分時(shí)間了.積分時(shí)間調(diào)節(jié)范圍為5.165ms到T1ms,其中T1=T-T2-T3-T4(3)因此積分時(shí)間的調(diào)節(jié)范圍就擴(kuò)大了很多,而且這種方案沒有影響幀轉(zhuǎn)和象元讀出的時(shí)間,則很好的保證了圖像質(zhì)量.2cpld半體制進(jìn)程控制器的實(shí)現(xiàn)2.1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)空間面陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器有單片機(jī)、EPROM、直接用數(shù)字電路產(chǎn)生三種方法,這些方法在工作頻率和設(shè)計(jì)靈活性上均不能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求.本文所用的空間CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器是用CPLD技術(shù)實(shí)現(xiàn)的.用復(fù)雜可編程邏輯陣列(CPLD)實(shí)現(xiàn),電路可靠,器件延遲時(shí)間短.大大減小了電路板的體積,降低了電路功耗,增加了可靠性.2.2典型的fpga面陣cd驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的進(jìn)程由于空間面幀CCD相機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序關(guān)系的復(fù)雜性,使用了硬件描述語言VHDL設(shè)計(jì)CCD時(shí)序.首先定義了驅(qū)動(dòng)時(shí)序的輸入輸出端口:6個(gè)輸入端口,即時(shí)鐘(clk_1)、時(shí)鐘清零(Timing_rst)、幀頻控制(Fset0、Fset1)、曝光控制(Eset0、Eset1);輸出端口除了CCD需要的15路驅(qū)動(dòng)信號外,再加了兩路輸出,分別是幀有效信號(Fval)和行有效信號(Lval).圖3給出了CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的邏輯結(jié)構(gòu),空間面陣CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序的實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變的多重循環(huán)嵌套系統(tǒng),之所以說它是可變的,是由于程序的運(yùn)行受控于幀頻控制(Fset0、Fset1)、積分控制(Eset0、Eset1)四個(gè)端口的信號的控制.整個(gè)程序是一個(gè)多進(jìn)程結(jié)構(gòu),分別是主計(jì)數(shù)器進(jìn)程;幀頻和積分時(shí)間細(xì)分進(jìn)程;階段進(jìn)程敏感信號產(chǎn)生進(jìn)程;積分階段信號產(chǎn)生進(jìn)程;幀轉(zhuǎn)1階段信號產(chǎn)生進(jìn)程;讀出階段信號產(chǎn)生進(jìn)程;幀轉(zhuǎn)2階段信號產(chǎn)生進(jìn)程;各階段信號合成一幀驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號進(jìn)程.當(dāng)給定某個(gè)幀頻和積分時(shí)間時(shí),計(jì)數(shù)器就計(jì)所設(shè)定的一個(gè)幀周期的時(shí)間,而幀頻和積分時(shí)間細(xì)分進(jìn)程就依靠計(jì)數(shù)器以及給定的幀頻和曝光時(shí)間產(chǎn)生各階段信號產(chǎn)生進(jìn)程的敏感信號量.四個(gè)階段進(jìn)程在自己信號量的控制下產(chǎn)生相應(yīng)的信號,最后將它們產(chǎn)生的信號合成完整的驅(qū)動(dòng)信號,這也就是程序中的大循環(huán).而各個(gè)階段信號進(jìn)程本身也是一個(gè)小循環(huán),幀頻的調(diào)節(jié)就是調(diào)節(jié)大循環(huán)執(zhí)行時(shí)間,積分時(shí)間的調(diào)節(jié)就是分配四個(gè)小循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間,而且四個(gè)小循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間總和等于大循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間,即一個(gè)幀周期的時(shí)間.為此空間面陣CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器選用了ALTERA公司的CPLD器件EPM9400LC84-15在MAX+plusⅡ10.1環(huán)境里進(jìn)行了仿真,得到滿意的結(jié)果后進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì).3內(nèi)部矩陣sd驅(qū)動(dòng)時(shí)裝置的硬件電路實(shí)現(xiàn)3.1抗噪原理在生產(chǎn)中的實(shí)現(xiàn)空間面陣CCD相機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)序發(fā)生器的硬件電路由一塊大小為140mm×140mm的PCB來完成,采用4層板結(jié)構(gòu).為了保證芯片供電電壓穩(wěn)定,對電路板輸入的+5V電源加了π型濾波網(wǎng)絡(luò).濾波電路主要分布在器件層,為提高抗噪性能時(shí)序信號線主要分布在焊接層.3.2cd左路時(shí)序波形的設(shè)計(jì)對制作的PCB電路板進(jìn)行了測試.測試結(jié)果見圖4,圖5.圖4為CCD左路的讀出時(shí)序波形,滿足頻率為1MHz和交跌時(shí)間為62.5ns的設(shè)計(jì)要求;圖5是相機(jī)幀頻為0.5fps、曝光時(shí)間為300ms的波形.最后得到的CCD實(shí)際的輸出結(jié)果,如圖6.4系統(tǒng)設(shè)計(jì)