基于CPLD的CCD Sensor驅動電路設計

　　0 引 言

　　視覺信息是客觀世界中非常豐富，非常重要的部分。隨著多媒體系統的發展，圖像傳感器應用越來越廣泛。不僅用于攝錄像機，安保產品、數碼相機及計算機鏡頭等，而且開始用于傳統上的非視像產品，如移動電話、個人數字助理(PDA)等。傳送優良的圖像，兼顧體積小、重量輕、噪聲低、速度快等優點，CCD圖像傳感器是一個不錯的選擇。

　　CCD(電荷耦合器件)作為一種光電轉換器件，應用的關鍵技術是產生正確的驅動器信號和相應的控制信號。不同型號的CCD，驅動信號時序千差萬別：有高速CCD驅動，高幀率CCD驅動，高分辨率CCD驅動，紫外CCD驅動，其中既有線陣型也有面陣型。傳統的驅動器都采用標準的TTL數字集成電路、單片機或者EPROM器件等，這種電路體積大、電路復雜、成本較高并且工作速度慢。在此提出使用可編程邏輯器件(PLD)，完成CCD驅動，較好地解決了這些問題。

　　1 ICX285AL時序分析

　　ICX285AL是Sony公司的一款行間轉移、方像素、固態面陣圖像傳感器，其的總像素是1 434×1 050，有效像素是1 392×1 040，活躍像素是1 360×1 024。垂直寄存器有5個驅動時鐘V1，V2A，V2B，V3，V4。水平寄存器有4個驅動時鐘，2組H1，H2。圖1表明水平同步信號HD、垂直同步信號VD、垂直驅動信號的時序關系。圖2為上述信號的局部放大的相位關系。驅動脈沖的時序要求如表1所示。

　　注：VT:讀出時鐘信號(Readout clock);Twh：脈沖商電平保持時間;Tw1：脈沖低電平保持時間;Tr：脈沖上升沿時間;Tf：脈沖下降沿時間。

　　2 ICX285AL驅動邏輯設計

　　ICX285AL驅動電路主要有三部分：水平和垂直同步信號，刷新信號和四相位驅動脈沖。

　　2.1 水平同步信號HD和垂直同步信號VD

　　由ICX285AL原理可知，基本時鐘CLK循環周期應當設為1 790。水平驅動信號H1，H2和垂直驅動信號V1，V2A，V2B，V3，V4，以及轉移信號SUB在此基礎上建立相互的時序關系。H1與H2相位相差180°，V2A與V2B相位完全相同。

　　設置水平同步信號HD和垂直同步信號VD的關系，可定位sensor有效行的起始位置以及用于校正目的的暗像素(dark pixel)位置。如圖3所示，通過sensor采集的圖像有效行數為1 063-3=1 060。圖4表明水平驅動信號H1與水平同步信號HD的時序關系。水平驅動信號H1、H2，水平同步信號HD與基本時鐘信號clk之間的時序關系如圖5所示，完全滿足HD的相位要求。

　　2.2 刷新信號SUB

　　刷新信號SUB表示Sensor每傳輸一行圖像信號，就會有一個刷新脈沖產生。參照ICX285AL原理，系統的基本計數器Counter計數范圍從1～161之間的值時，SUB為“0”，低電平;Counter計數范圍從161～287之間的值時，SUB為“1”，高電平;當為其他值時，SUB為“0”。圖6為刷新信號SUB與垂直驅動信號時序關系的仿真結果。

　　2.3 四相位驅動脈沖

　　根據四相CCD電荷轉移的原理，CCD中的電荷根據四相時鐘信號驅動，實現電荷轉移。設計過程中必須保證四相驅動信號V1，V2，V3，V4的時序關系。圖7所示為四相驅動信號與水平同步信號的仿真波形。

　　3 驅動電路CPLD實現

　　采用Altera公司的CPLD芯片EPM3256AQC208完成CCD驅動電路，方案已應用于工業攝像頭系統。利用泰克500 MHz示波器實測波形如圖8所示，圖9為水平驅動和垂直驅動信號局部放大波形。時序及時延參數均滿足要求，工作穩定可靠。基于PLD技術的方案，易于實現與其他芯片的接口，具有高度靈活性、天然的并行性和快速成型等特點，同時可通過編譯平臺方便設置PLD芯片的驅動電流，有效降低系統噪聲，是一種性價比較高的選擇。