基于CPLD的CCD驅(qū)動電路自動增益調(diào)整

實際測量工作中，由于工作環(huán)境、光照強度或被測物體的不同，會使得照射到被測物體表面的激光束的反射率變化比較大，因此，ccd上成像點的光強就會時強時弱。ccd光敏單元在過強或過弱光線照射下，會產(chǎn)生過飽和或不飽和的電荷，從而使輸出的模擬信號不能滿足數(shù)據(jù)采集要求，因而不能真實反映被測物體的位移信息，影響最后計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，而產(chǎn)生了較大的誤差。鑒于以上原因，為了能夠得到準(zhǔn)確的被測物體的位移結(jié)果，應(yīng)使ccd測量系統(tǒng)輸出的模擬信號峰值盡量穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)。

cpld復(fù)雜可編程邏輯器件具有集成度高，體積小，速度快等特點。通過cpld能夠以廠家提供的cad工具為開發(fā)平臺，結(jié)合原理圖編輯與vhdl語言軟件編程，以在cpld中實現(xiàn)數(shù)字硬件中的大多數(shù)邏輯電路[1]。因此，本文所設(shè)計的ccd自動增益系統(tǒng)的核心部分選用cpld來實現(xiàn)。

ccd信號的自動增益調(diào)整

ccd傳感器輸出的模擬信號與入射光光強、幀轉(zhuǎn)移頻率有關(guān)。其大小隨入射光光強的增大而增大，隨幀轉(zhuǎn)移頻率的增大而減小，因此，通過改變?nèi)肷涔獾墓鈴娀驇D(zhuǎn)移頻率就可以調(diào)整輸出的模擬信號峰值。本系統(tǒng)就是采用調(diào)節(jié)幀轉(zhuǎn)移頻率來達到自動增益調(diào)整的目的。

一般情況下，幀轉(zhuǎn)移脈沖由ccd驅(qū)動電路輸出，其頻率大小直接影響ccd傳感器的積分時間。幀轉(zhuǎn)移頻率越小，傳感器積分時間越長，相應(yīng)地，ccd傳感器曝光時間也越長，光敏單元捕捉到的光量也越多。當(dāng)幀轉(zhuǎn)移頻率過小時，光敏單元所產(chǎn)生的光電電荷就會達到過飽和狀態(tài)，輸出的模擬電壓峰值將會超過所要求的范圍。反之，輸出的模擬電壓峰值將會低于所要求的范圍。因此，可設(shè)計一個ccd輸出電壓峰值的采樣、保持電路，再對此峰值進行a/d轉(zhuǎn)換，同時與所要求的范圍進行比較。當(dāng)其超出范圍值時，可增大幀轉(zhuǎn)移頻率；而當(dāng)其值低于范圍時，則可減小幀轉(zhuǎn)移頻率[2]。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

這種基于cpld的ccd自動增益調(diào)整驅(qū)動電路的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)共分為兩部分。第一部分為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，該部分采用一個轉(zhuǎn)換精度為8位的a/d轉(zhuǎn)換器來將ccd輸出的模擬電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。第二部分為可自動調(diào)整增益的ccd驅(qū)動電路，此部分采用cpld進行配置，可自動完成增益調(diào)整及ccd驅(qū)動信號的輸出，并可為a/d轉(zhuǎn)換器提供轉(zhuǎn)換控制脈沖。

a/d轉(zhuǎn)換部分

ccd的輸出信號為模擬量，故須經(jīng)a/d將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便cpld進行處理。在本設(shè)計中，a/d轉(zhuǎn)換器采用的ad9048可工作在35msps的高速上，由cpld產(chǎn)生的單位轉(zhuǎn)移脈沖sp可為其提供轉(zhuǎn)換控制脈沖convert。在convert的上升沿到來后，a/d9048對ccd相應(yīng)象素點上輸出的模擬電壓值進行采樣，并在convert下降沿到來之前輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果，該結(jié)果由cpld寄存并最終得到一幀中ccd輸出的模擬電壓峰值的大小。

可自動增益的ccd驅(qū)動電路設(shè)計

此電路利用cpld設(shè)計，其內(nèi)部可劃分為四個模塊（如圖2所示），整個芯片所需的時鐘由外部晶振或振蕩電路提供。

第一個分頻模塊dispart用于對外部時鐘進行一到八倍的分頻。第二個模塊mul tiplexer是一個多選一模塊，由compare控制。第三個模塊compare用于對a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行寄存，并將一幀結(jié)束后得到的ccd輸出電壓峰值與所設(shè)定的閾值進行比較，若超出閾值上限則輸出結(jié)果減一，multiplexer選出頻率較高的一路時鐘作為driver的輸入時鐘脈沖；反之，則對compare的輸出結(jié)果加一，multiplexer選出頻率較低的一路時鐘作為driver的輸入時鐘脈沖。第四個模塊driver用來產(chǎn)生驅(qū)動ccd的信號及一位單位轉(zhuǎn)移信號。

當(dāng)multiplexer選出頻率較高的一路脈沖作為driver的輸入時鐘，再由driver產(chǎn)生ccd驅(qū)動信號時，驅(qū)動信號中的幀轉(zhuǎn)移脈沖sh頻率就會增加，從而使ccd傳感器的曝光時間變短，ccd輸出的模擬電壓峰值降低；反之，sh頻率減小，曝光時間變長，ccd輸出的模擬電壓峰值升高。這樣，通過以上過程，便可調(diào)節(jié)ccd模擬電壓峰值的范圍。

本設(shè)計應(yīng)用的ccd器件為tcd1201d，采用二相驅(qū)動脈沖工作，驅(qū)動電路要產(chǎn)生六路工作脈沖，其中五路用作ccd提供工作脈沖，分別為幀轉(zhuǎn)移脈沖sh、電荷轉(zhuǎn)移脈沖t1、t2、復(fù)位脈沖rs、補償脈沖bt；另一路為單元轉(zhuǎn)移脈沖sp。此六路脈沖由cpld中的driver部分產(chǎn)生，此部分可用硬件描述語言vhdl進行設(shè)計。

產(chǎn)生補償脈沖bt和單元轉(zhuǎn)移脈沖sp時，由于bt占空比為2：1，因此應(yīng)對輸入的時鐘脈沖三分頻，低電平占時鐘脈沖一個周期，高電平占時鐘脈沖兩個周期，其具體的程序部分如下：

process（clk）

begin

if（clk’event and clk＝‘1’）then

counter1＜＝counter1＋1；

if counter1＝2 then

mbt＜＝‘0’；

counter1＜＝0；

else mbt＜＝‘1’；

end if；

end if；

bt＜＝mbt；

sp＜＝mbt and（not msh2）；

end process；

該器件有2048位有效像元，工作時還要有46位啞像元輸出，一個掃描周期至少應(yīng)有2094個像元時鐘周期，由于該器件兩并行輸出，因此,一個幀轉(zhuǎn)移周期內(nèi)的t1、t2至少分別有1047個脈沖。由于t1、t2的周期相等，方向相反且周期為bt周期的二倍，因此，產(chǎn)生sh、t1、t2的程序進程如下：

process（mbt，clk）

begin

if （mbtevent and mbt＝‘1’）then

mt＜＝not mt；

end if；

if（clk’event and clk＝‘1’）then

t1＜＝mt and （not msh2）；

t2＜＝（not mt）or msh2；

end if；

end process；

process（mt）

begin

if（mt’event and mt＝‘1’）

then

counter2＜＝counter2＋1；

if counter2＝1100 then

counter2＜＝0；

msh1＜＝‘1’；

msh2＜＝‘1’；

elsif（counter2＜＝3）then

msh1＜＝‘1’；

msh2＜＝‘1’；

elsif（counter2＞3 and counter2＜＝5）then

msh1＜＝‘0’；

msh2＜＝‘1’；

else

msh1＜＝‘0’；

msh2＜＝‘0’；

end if；

end if；

sh＜＝msh1；

end process；

產(chǎn)生rs的程序進程如下：

process（mbt，clk）

begin

if（clk’event and clk＝‘0’）then

rs＜＝not mbt；

ned if；

end process；

至此，這樣ccd驅(qū)動電路的六路信號均產(chǎn)生完畢，可以進行仿真，其結(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，所產(chǎn)生的驅(qū)動信號滿足tcd1201d所需驅(qū)動時序關(guān)系。

dispart模塊是用來對外部時鐘進行分頻的，可應(yīng)用vhdl語言描述。其中二、三分頻的程序如下：

process（clk）

begin

if（clk’event and clk＝‘1’）then

mf1＜＝not mf1；

end if；

f1＜＝mf1；

end process；

process（clk）

begin

if（clk’event and clk＝‘1’）

then

counter2＜＝counter2＋1；

if counter2＝2 then

mf2＜＝‘1’；

counter2＜＝0；

else

mf2＜＝‘0’；

end if；

end if；

f2＜＝mf2；

end process；

其他分頻數(shù)與之類似，這里不再贅述。

compare模塊是用來對a/d的轉(zhuǎn)換結(jié)果進行寄存，并在一幀結(jié)束后，對得到的電壓峰值進行判斷以確定其是否在所規(guī)定的閾值范圍內(nèi)，從而控制多選一模塊multiplexer。應(yīng)用vhdl語言描述時，其程序的主要部分如下：

process（clk）

begin

if（clk’event and clk＝‘0’）then

if data＞reg_data then

reg_data＜＝data；

end if；

end if；

end process

process（sh）

begin

if（sh’event and sh＝‘1’）

then

if（reg_data＞200）then

if（reg_q（2）or reg_q（1）or reg_q（0）＝‘1’ then

reg_q＜＝reg_q－1；

end if；

elsif（reg_data＜150）then

if（reg_q（2）and reg_q（1）

and reg_q（0）＝‘0’ then

reg_q＜＝reg_q＋1；

end if；

else reg_q＜＝reg_q；

end if；

end if；

q＜＝reg_q；

end process；

這里，第一個進程的作用是得到ccd輸出電壓的峰值，data為a/d轉(zhuǎn)換的結(jié)果。第二個進程的作用是判斷峰值是否在閾值范圍內(nèi)，以調(diào)整輸出q，去控制多選一模塊選擇相應(yīng)的時鐘脈沖來作為driver的輸入。

將設(shè)計好的各個模塊應(yīng)用原理圖進行連接，然后進行器件選擇，本設(shè)計選cpld芯片為epm7128slc84－15，然后編譯，再進行仿真，即可所得，如圖4所示的時序圖。

觀察該時序圖中可以看到，如cpld的工作與最初的設(shè)計意圖相符，即可將程序下載到epm7128slc－15芯片中。

實驗結(jié)果

進行電路的原理圖設(shè)計，制成電路板，與ccd傳感器連接。將光束打在一反射物體上，反射光為ccd傳感器所接受，然后調(diào)節(jié)光照強度，利用示波器觀察sh，可以看到sh的頻率隨光強的增大而增大。

結(jié)束語

本文所設(shè)計的帶的ccd驅(qū)動電路，可集成于一片cpld芯片中，較過去的由幾十片芯片組成的驅(qū)動電路，其面積大大減小了，而且?guī)в凶詣釉鲆嬲{(diào)整功能，對頻率的選出采用逐次逼近的方式。因此，采用適當(dāng)?shù)牟介L，就可以將sh的變化控制在比較合適的范圍內(nèi)，從而使峰值的收斂達到較好的效果。此外，自動增益調(diào)整也避免了人工調(diào)整的麻煩和誤差，提高了精度，降低了勞動強度。