基于FPGA的線陣CCD驅動設計

摘要：電荷耦合器件(CCD)作為一種新型的光電器件，被廣泛地應用于非接觸測量。而CCD驅動設計是CCD應用的關鍵問題之一。為了克服早期CCD驅動電路體積大，設計周期長，調試困難等缺點，以線陣CCD圖像傳感器TCD1251UD為例，介紹一種利用可編程邏輯器件FPGA實現積分時閫和頻率同時可調的線陣CCD驅動方法，使用Verilog語言對驅動電路方案進行了硬件描述，采用QuartusII對所設計的時序進行系統仿真。仿真結果表明，該驅動時序的設計方法是可行的。
關鍵詞：線陣CCD；可編程邏輯器件；積分時間；頻率

電荷耦合器件(CCD)作為新興的固體成像器件——圖像傳感器，具有體積小、重量輕、分辨力高、噪聲低、自掃描、工作速度快、靈敏度高、可靠性好等優點，受到人們的高度重視，廣泛應用于圖像傳感、景物識別、非接觸無損檢測、文件掃描等領域。其應用系統的關鍵技術在于CCD驅動信號的產生及輸出信號的處理。以往經常采用的驅動方法主要偏重硬件的實現，調試困難，靈活性較差。而單片機驅動方法雖編程靈活，但存在資源浪費較多、頻率較低的缺陷。復雜可編程邏輯器件FPGA具有編程靈活、集成度高、速度快、容量大、功耗小、可靠性好等優點，并且節省PCB板的空間，可移植性好，使用靈活。因此，結合實際應用需要，設計了基于復雜可編程邏輯器件FPGA的CCD驅動時序設計，使用Verilog語言對驅動電路方案進行了硬件描述，采用QpartusⅡ對所設計的時序進行了系統仿真。

1 CCD圖像傳感器TCD1251UD
TCD1251UD芯片是日本東芝公司生產的一種高靈敏度、低暗電流、具有2 700個有效像元的雙溝道兩相線陣CCD圖像傳感器。它的中心距為11μm，最佳工作頻率為1 MHz，光敏單元陣列總長為29．7 mm。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR。它的結構包括：MOS電容存儲柵、轉移柵電極SH、CCD模擬移位寄存器φ1和φ2信號輸出單元OS和補償輸出單元DOS。

2 TCD1251UD的驅動時序要求
TCD1251UD的驅動脈沖波形圖如圖1所示，各信號之間定時關系如表1所示。