使用FPGA设计CCD驱动传输电路的资料说明

　　电荷耦合器件CCD是一种图像传感器，作为CCD工业相机的核心部件，被广泛应用于非接触测量。许多的光学实验都需要使用到CCD工业相机，结合实际应用，我们提出了两个问题，分别是能否使用普通CCD芯片设计出高帧频的成像系统，以及能否实现两个CCD相机的同步采集。CCD工业相机的关键技术在于CCD驱动传输电路的设计，为了在实践中解决这两个问题，本文对CCD芯片的驱动脉冲和时序关系进行了详细的分析，设计出了基于FPGA的CCD驱动传输电路。

　　驱动CCD芯片的方法有很多，主要可以通过数字电路、单片机、专用IC、DSP、可编程逻辑器件对其进行驱动。采用数字电路驱动，调试难度大，不适合应用于大面阵CCD。单片机虽然灵活性好，但驱动频率较低，不能满足本设计中驱动频率较高的CCD芯片的需求。专用IC芯片虽然集成度高、调试方便，但灵活性不好，也不利于后端传输电路的设计。DSP主要偏重于大量的数字信号处理，成本高，而本设计则偏重于逻辑时序设计，数字信号处理不多。虽然可编程逻辑器件开发难度大，但可以在线编程，程序易于修改，系统集成度高，驱动频率高，是最符合本设计需求的。可编程逻辑器件主要有CPLD和FPGA，CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合完成时序逻辑。而且相比于CPLD，FPGA的规模更大，功能也更强，在数据转移和存储方面更有优势，有利于后端的数据采集及传输，为以后系统的升级提供了更有利的空间。因此，本设计采用FPGA作为整个系统的控制中心。由于Altera公司的CycloneⅡ系列芯片主要应用于逻辑设计和简单的数字信号处理，是一类中性能、低成本的芯片，并从本设计中所需I/O口数量和逻辑单元数量来考虑，最终选择该系列的EP2C8Q208C8芯片。

　　本文以解决上述两个问题为前提，用FPGA作为控制中心，设计出了面阵CCD驱动传输电路，包括前端的CCD驱动电路和后端的数据采集、存储和传输电路，后端由A/D转换模块、SDRAM缓存模块和USB接口模块组成。本文的CCD芯片采用的是SONY公司的面阵黑白CCD图像传感器ICX205AL，A/D转换芯片采用的是美国ADI公司的面向CCD的低功耗单通道模拟信号处理器AD9824，SDRAM芯片采用的是Hynix公司的容量为128Mbit的存储器HY57V281620ETP-H，USB接口芯片采用的是Cypress公司的支持USB2.0协议的芯片CY7C68013A。在QuartusⅡ开发平台上，使用Verilog硬件描述语言对各时序电路进行硬件描述。本文主要完成了前端CCD驱动时序电路的设计，完成了后端A/D转换电路的时序设计、缓存器SDRAM的读写时序设计、USB与FPGA通信的时序设计以及USB的固件程序设计，并完成了整个系统的PCB设计。仿真和实际测试结果表明，所有的时序信号均满足设计要求。

　　经过研究发现，可以通过超频技术来提高帧转移频率，从而提升成像系统的速度;以及可以通过改变CCD的驱动时序来提高系统的成像速度。但是，对于可超频的范围还需要进一步通过实际测试才能获知。如何实现两个CCD相机的同步采集还需要作进一步的研究。