基于TDI-CCD的成像FPGA系統軟件設計應用

摘要：為建立高速、高效、合理的CCD成像軟件系統，設計TDI-CCD成像系統自頂向下的軟件設計結構和模塊化設計方法，實現成像系統FPGA軟件解耦合，給出整體軟件設計結構及其性能分析；在系統調試階段運行良好。實際運行結果表明，該軟件得各項性能指標達到設計要求。
關鍵詞：FPGA；CCD成像；模塊設計；解耦分析

CCD是一種廣泛應用于成像系統中的光學傳感器，TDI-CCD利用延時積分的方法，通過對同一物體多次曝光，實現增強型光能采集的目的。同時，根據像移補償的速度，設計TDI-CCD的電荷轉移速率，能夠實現電子學像移補償。本文闡述的成像系統以TDI-CCD為核心，利用FPGA實現CCD圖像數據整合功能的硬件系統。由于FPGA在資源、速度、效率、穩定性等方面有很多優勢，因此，采用FPGA實現高速、大規模、繼承性好的成像軟件，通過在軟件結構、模塊和設計方法上的優化，尋求更加合理設計方案，達到功能和性能的提升。本文將FPGA設計的一些指導性原則應用于實際的系統設計中，給出了FPGA自頂向下的軟件結構劃分，以及程序設計中的注意事項。通過對模塊接口信號的解耦處理，增強了系統的適應性和穩定性，該軟件系統在實際工程中已進行驗證。

1 成像系統結構
成像系統以TDI-CCD為核心，采用FPGA作為核心數據處理單元，實現數據處理傳輸，其基本組成部分如圖1所示。

時序驅動單元采用FPGA產生驅動時序，通過硬件電路實現對CCD控制信號驅動；焦平面單元將CCD視頻信號經過預放、濾波、相關雙采樣(CDS)、A／D轉換后輸入到圖像處理單元；圖像處理單元接收控制器指令，完成總體對成像系統的控制，以及圖像數據的整合傳輸等功能；

2 成像軟件設計
成像系統軟件采用FPGA實現。軟件核心是圖像處理單元。該單元接收CCD行同步信號以及指令，完成數據處理功能；
成像系統FPGA的主要功能如表1所示。成像系統在物理上分為3個電箱。圖像處理電箱獨立存在，并接收焦平面電箱的視頻信號和控制電箱工作指令，實現數據處理。根據系統邏輯功能劃分FPGA軟件結構，并將軟件設計規范應用其中，優化系統性能。圖像處理單元工作頻率高，數據處理復雜，不同的結構劃分和設計方式對性能影響較大，因此，本文對圖像處理軟件設計進行詳細闡述。