基于TDI-CCD的成像FPGA系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)應(yīng)用

摘要：為建立高速、高效、合理的CCD成像軟件系統(tǒng)，設(shè)計(jì)TDI-CCD成像系統(tǒng)自頂向下的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和模塊化設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)FPGA軟件解耦合，給出整體軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其性能分析；在系統(tǒng)調(diào)試階段運(yùn)行良好。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該軟件得各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：FPGA；CCD成像；模塊設(shè)計(jì)；解耦分析

CCD是一種廣泛應(yīng)用于成像系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器，TDI-CCD利用延時(shí)積分的方法，通過對(duì)同一物體多次曝光，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型光能采集的目的。同時(shí)，根據(jù)像移補(bǔ)償?shù)乃俣?，設(shè)計(jì)TDI-CCD的電荷轉(zhuǎn)移速率，能夠?qū)崿F(xiàn)電子學(xué)像移補(bǔ)償。本文闡述的成像系統(tǒng)以TDI-CCD為核心，利用FPGA實(shí)現(xiàn)CCD圖像數(shù)據(jù)整合功能的硬件系統(tǒng)。由于FPGA在資源、速度、效率、穩(wěn)定性等方面有很多優(yōu)勢(shì)，因此，采用FPGA實(shí)現(xiàn)高速、大規(guī)模、繼承性好的成像軟件，通過在軟件結(jié)構(gòu)、模塊和設(shè)計(jì)方法上的優(yōu)化，尋求更加合理設(shè)計(jì)方案，達(dá)到功能和性能的提升。本文將FPGA設(shè)計(jì)的一些指導(dǎo)性原則應(yīng)用于實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，給出了FPGA自頂向下的軟件結(jié)構(gòu)劃分，以及程序設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。通過對(duì)模塊接口信號(hào)的解耦處理，增強(qiáng)了系統(tǒng)的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，該軟件系統(tǒng)在實(shí)際工程中已進(jìn)行驗(yàn)證。

1 成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
成像系統(tǒng)以TDI-CCD為核心，采用FPGA作為核心數(shù)據(jù)處理單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理傳輸，其基本組成部分如圖1所示。

時(shí)序驅(qū)動(dòng)單元采用FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序，通過硬件電路實(shí)現(xiàn)對(duì)CCD控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)；焦平面單元將CCD視頻信號(hào)經(jīng)過預(yù)放、濾波、相關(guān)雙采樣(CDS)、A／D轉(zhuǎn)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(duì)成像系統(tǒng)的控制，以及圖像數(shù)據(jù)的整合傳輸?shù)裙δ埽?br />
2 成像軟件設(shè)計(jì)
成像系統(tǒng)軟件采用FPGA實(shí)現(xiàn)。軟件核心是圖像處理單元。該單元接收CCD行同步信號(hào)以及指令，完成數(shù)據(jù)處理功能；
成像系統(tǒng)FPGA的主要功能如表1所示。成像系統(tǒng)在物理上分為3個(gè)電箱。圖像處理電箱獨(dú)立存在，并接收焦平面電箱的視頻信號(hào)和控制電箱工作指令，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。根據(jù)系統(tǒng)邏輯功能劃分FPGA軟件結(jié)構(gòu)，并將軟件設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)用其中，優(yōu)化系統(tǒng)性能。圖像處理單元工作頻率高，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜，不同的結(jié)構(gòu)劃分和設(shè)計(jì)方式對(duì)性能影響較大，因此，本文對(duì)圖像處理軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)闡述。