CCD（charge couple device）是一種電荷藕合式光電轉換器件。在物體位移測量系統中,常常以ccd作為位移傳感器。當一束曝光器發出的激光照射到被測物體上并發生漫反射時,反射光將經透鏡聚焦后成像在CCD上,以使CCD光敏單元感光,從而產生轉移電荷。這樣CCD驅動電路就會產生一定頻率的驅動脈沖以反映物體位移信息,輸出的信號為模擬信號。經A/D轉換后,便可由后續處理電路采集和運算。
實際測量工作中,由于工作環境、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據采集要求,因而不能真實反映被測物體的位移信息,影響最后計算結果的準確性,而產生了較大的誤差。鑒于以上原因,為了能夠得到準確的被測物體的位移結果,應使CCD測量系統輸出的模擬信號峰值盡量穩定在某一范圍內。
CPLD復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工具為開發平臺,結合原理圖編輯與VHDL語言軟件編程,以在CPLD中實現數字硬件中的大多數邏輯電路[1]。因此,本文所設計的CCD自動增益系統的核心部分選用CPLD來實現。
CCD信號的自動增益調整
CCD傳感器輸出的模擬信號與入射光光強、幀轉移頻率有關。其大小隨入射光光強的增大而增大,隨幀轉移頻率的增大而減小,因此,通過改變入射光的光強或幀轉移頻率就可以調整輸出的模擬信號峰值。本系統就是采用調節幀轉移頻率來達到自動增益調整的目的。
一般情況下,幀轉移脈沖由ccd驅動電路輸出,其頻率大小直接影響ccd傳感器的積分時間。幀轉移頻率越小,傳感器積分時間越長,相應地,ccd傳感器曝光時間也越長,光敏單元捕捉到的光量也越多。當幀轉移頻率過小時,光敏單元所產生的光電電荷就會達到過飽和狀態,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轉換,同時與所要求的范圍進行比較。當其超出范圍值時,可增大幀轉移頻率;而當其值低于范圍時,則可減小幀轉移頻率[2]。
系統整體結構
這種基于cpld的ccd自動增益調整驅動電路的整體結構如圖1所示,該系統共分為兩部分。第一部分為模擬/數字轉換電路,該部分采用一個轉換精度為8位的a/d轉換器來將ccd輸出的模擬電壓值轉換為數字量。第二部分為可自動調整增益的ccd驅動電路,此部分采用cpld進行配置,可自動完成增益調整及ccd驅動信號的輸出,并可為a/d轉換器提供轉換控制脈沖。
A/D轉換部分
CCD的輸出信號為模擬量,故須經a/d將其轉換成數字量,以便cpld進行處理。在本設計中,a/d轉換器采用的ad9048可工作在35msps的高速上,由cpld產生的單位轉移脈沖sp可為其提供轉換控制脈沖convert。在convert的上升沿到來后,a/d9048對ccd相應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換結果,該結果由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驅動電路設計
此電路利用CPLD設計,其內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轉換的結果進行寄存,并將一幀結束后得到的ccd輸出電壓峰值與所設定的閾值進行比較,若超出閾值上限則輸出結果減一,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用來產生驅動ccd的信號及一位單位轉移信號。
當multiplexer選出頻率較高的一路脈沖作為driver的輸入時鐘,再由driver產生ccd驅動信號時,驅動信號中的幀轉移脈沖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,便可調節ccd模擬電壓峰值的范圍。
本設計應用的ccd器件為tcd1201d,采用二相驅動脈沖工作,驅動電路要產生六路工作脈沖,其中五路用作ccd提供工作脈沖,分別為幀轉移脈沖sh、電荷轉移脈沖t1、t2、復位脈沖rs、補償脈沖bt;另一路為單元轉移脈沖sp。此六路脈沖由cpld中的driver部分產生,此部分可用硬件描述語言vhdl進行設計。
產生補償脈沖bt和單元轉移脈沖sp時,由于bt占空比為2：1,因此應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,一個幀轉移周期內的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驅動電路的六路信號均產生完畢,可以進行仿真,其結果如圖3所示。
由圖3可看出,所產生的驅動信號滿足tcd1201d所需驅動時序關系。
dispart模塊是用來對外部時鐘進行分頻的,可應用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;
其他分頻數與之類似,這里不再贅述。
compare模塊是用來對a/d的轉換結果進行寄存,并在一幀結束后,對得到的電壓峰值進行判斷以確定其是否在所規定的閾值范圍內,從而控制多選一模塊multiplexer。應用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轉換的結果。第二個進程的作用是判斷峰值是否在閾值范圍內,以調整輸出q,去控制多選一模塊選擇相應的時鐘脈沖來作為driver的輸入。
將設計好的各個模塊應用原理圖進行連接,然后進行器件選擇,本設計選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的工作與最初的設計意圖相符,即可將程序下載到epm7128slc－15芯片中。
實驗結果
進行電路的原理圖設計,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,然后調節光照強度,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。
結束語
本文所設計的帶的CCD驅動電路,可集成于一片CPLD芯片中,較過去的由幾十片芯片組成的驅動電路,其面積大大減小了,而且帶有自動增益調整功能,對頻率的選出采用逐次逼近的方式。因此,采用適當的步長,就可以將sh的變化控制在比較合適的范圍內,從而使峰值的收斂達到較好的效果。此外,自動增益調整也避免了人工調整的麻煩和誤差,提高了精度,降低了勞動強度。