1 引言
科學級CCD相機（Scientific grade CCD camera）是一種具有低噪聲、高靈敏度、大動態范圍和高量子效率等優良性能的CCD相機，用于對微光信號檢測和微光成像。它在射線數字成像檢測、生物醫學工程、水下攝影、武器裝備、天文觀測、空間對地觀測等多種技術領域得到了廣泛應用。
科學級CCD相機一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號處理器、時序控制器、時序發生器、時序驅動器、外部光學成像系統等部分組成，其中時序發生器性能的優劣直接決定了相機的品質參數。該科學級CCD相機采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作為傳感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作過程和對驅動信號的要求，在此基礎上設計出合理的時序電路， 為了滿足在實際工作中像移速度異速匹配的要求，在時序電路的設計中時序發生部分是可調的。這種設計方案簡單、可靠、實用。在綜合比較各種硬件實現電路的優缺點后，選用現場可編程邏輯門陣列（FPGA） 作為硬件設計平臺，使用VHDL 語言對驅動電路方案進行了硬件描述，采用EDA 軟件對所設計的時序發生器成功地進行了功能仿真。最后針對XILINX公司的可編程邏輯器件XC2VP20-FF1152進行了適配和硬件電路調試，進而實現了對整個科學級CCD 相機的控制。
2 TDI-CCD的工作原理及驅動分析
2.1 TDI-CCD工作原理簡介
TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術。TDI-CCD是具有一種面陣結構、線陣輸出的新型CCD，較普通的線陣CCD而言，它具有多重級數延時積分的功能。從其結構來看，多個線陣平行排列，像元在線陣方向和級數方向呈矩形排列，像元分布示意圖如圖1所示。
圖1 TDI-CCD像元分布示意圖
圖1中，TDI-CCD的電荷累積方向是沿Y向進行的，其推掃級數自下而上為第1級至第96級。在成像過程中，隨著相機（或景物）的運動，TDI-CCD從第96級至第1級依次感光，電荷從第96級至第1級逐級累積。最終，經過多重延時積分積累起來的電荷包（成像數據信息）轉移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級經運算放大器傳輸出去。從TDI-CCD的電性能特點可以看出，TDI-CCD為一種單方向推掃成像器件。與一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可變積分級數來增加曝光時間。在傳感器成像時，由于信號存儲與曝光時間是成正比的，TDI-CCD通過延長曝光時間來增加所收集到的光子，因此比一般線陣CCD具有更高的靈敏度，可用在低光照度環境下成像，同時又不會影響掃描速度。TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個突出特點，使其在高速、微光領域具有廣泛的應用前景 。
2.2 關于DALSA IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器
CCD 圖像傳感器是科學級CCD相機的關鍵組成部件， 其性能的優劣直接影響著相機的功能和使用效果。該科學級CCD 相機選用了加拿大DALSA 公司生產的IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器，該TDI-CCD的像素結構 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數據輸出頻率為20MHz 、動態范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級數可選、具有藍光響應增強功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個功能區，即光敏元探測區、電荷傳輸區、檢測輸出區。
2.3 IL-E2型TDI-CCD驅動時序分析
TDI-CCD的驅動時序控制比普通線陣CCD的驅動時序控制要復雜的多， IL-E2型TDI-CCD的時序控制包括各種直流電平控制和各種時鐘脈沖序列控制。對于前者，主要包括供電電壓VDD、輸出柵電壓VEST、溢出柵電壓VOV、襯底電壓VBB和級數控制偏置電壓等；對于后者，主要包括行轉移時鐘脈沖TCK，像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2，輸出復位時鐘脈沖RST，TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖CI1～CI4，級數控制時鐘脈沖CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作時，在行轉移時鐘脈沖TCK為高電平期間，像元感光產生的信號電荷在TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿著TDI（TDI級數由TDI級數控制脈沖選為6、12、24、48、96中的一種）方向積累并轉移到輸出移位寄存器中；當TCK為低電平時，TDI-CCD在像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2的作用下，輸出復位時鐘脈沖RST每來一個有效電平高電平時，TDI-CCD的輸出信號OS端輸出一個信號，直到信號輸出完為止。之后TCK由低電平變為高電平，CI1、CI2、CI3、CI4也相應的變為有效電平，轉移上一次轉移完后像元感光產生的信號電荷，開始一個新的周期。這些時序控制的詳細對應關系如圖2所示。
圖2 TDI-CCD時序詳圖
對于此TDI-CCD時序設計與普通線陣CCD時序設計存在以下幾個突出特點。（1）在TDI方向存在4相移位寄存器驅動時鐘，它們的周期與行周期一致，高電平脈寬t3應大于3μs， CI1的上升沿滯后于TCK的上升沿，CI2的下降沿滯后于TCK的下降沿，CI1、CI2的高電平脈寬至少有1μs的重疊。CI3、CI4在時序關系上分別為CI1、CI2的倒相。（2）此TDI-CCD的工作級數可以通過CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四個級數選擇信號進行控制，使其工作于96、48、24、12和6級。
3 時序發生器的原理組成和工作過程分析
時序發生器產生TDI-CCD、視頻處理器和圖像數據輸出所需的各種時鐘脈沖信號， 時序發生器在CCD成像單元工作中起著時間上同步協調的作用。它由時序控制器給出的指令和參數予以控制。時序控制器控制TDI-CCD工作時的行轉移周期， 積分級數，控制指令和參數以串行數據的形式送至時序控制器中，時序發生器根據時序控制器給出的指令和數據產生TDI-CCD和視頻處理器所需要的時鐘脈沖信號： 行轉移時鐘脈沖、像元移位讀出時鐘脈沖、輸出復位時鐘脈沖、TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖、級數控制時鐘脈沖、相關雙采樣時鐘脈沖、A/D轉換器采樣時鐘脈沖等。為了提高工作時的可靠性， 在時序控制器中控制指令和參數沒有更新時， 時序發生器將按時序控制器中初始設置參數工作。
時序發生器的設計：時序發生器生成TDI-CCD、視頻處理器和圖像數據輸出所需要的各種時序。所有時序是由主振脈沖序列通過逐級分頻后的脈沖序列進行邏輯和組合運算產生的。它們之間滿足嚴格的相位關系， 這是相機系統協調工作的基礎。時序發生器的功能框圖如圖3所示。相機系統一通電就應保證立即工作在內部默認方式， 這樣就能夠馬上判斷系統是否正常。如果外部或內部設置指令無效， 系統也返回默認方式， 這是相機系統可靠性的體現。時序發生器所產生的各種時鐘由VHDL 語言完成。
圖3 時序發生器功能框圖
1 引言
科學級CCD相機（Scientific grade CCD camera）是一種具有低噪聲、高靈敏度、大動態范圍和高量子效率等優良性能的CCD相機，用于對微光信號檢測和微光成像。它在射線數字成像檢測、生物醫學工程、水下攝影、武器裝備、天文觀測、空間對地觀測等多種技術領域得到了廣泛應用。
科學級CCD相機一般由高速CCD 感光芯片、視頻信號處理器、時序控制器、時序發生器、時序驅動器、外部光學成像系統等部分組成，其中時序發生器性能的優劣直接決定了相機的品質參數。該科學級CCD相機采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作為傳感器，本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作過程和對驅動信號的要求，在此基礎上設計出合理的時序電路， 為了滿足在實際工作中像移速度異速匹配的要求，在時序電路的設計中時序發生部分是可調的。這種設計方案簡單、可靠、實用。在綜合比較各種硬件實現電路的優缺點后，選用現場可編程邏輯門陣列（FPGA） 作為硬件設計平臺，使用VHDL 語言對驅動電路方案進行了硬件描述，采用EDA 軟件對所設計的時序發生器成功地進行了功能仿真。最后針對XILINX公司的可編程邏輯器件XC2VP20-FF1152進行了適配和硬件電路調試，進而實現了對整個科學級CCD 相機的控制。
2 TDI-CCD的工作原理及驅動分析
2.1 TDI-CCD工作原理簡介
TDI（time delay and integration）是一種能夠增加線掃描傳感器靈敏度的掃描技術。TDI-CCD是具有一種面陣結構、線陣輸出的新型CCD，較普通的線陣CCD而言，它具有多重級數延時積分的功能。從其結構來看，多個線陣平行排列，像元在線陣方向和級數方向呈矩形排列，像元分布示意圖如圖1所示。
圖1 TDI-CCD像元分布示意圖
圖1中，TDI-CCD的電荷累積方向是沿Y向進行的，其推掃級數自下而上為第1級至第96級。在成像過程中，隨著相機（或景物）的運動，TDI-CCD從第96級至第1級依次感光，電荷從第96級至第1級逐級累積。最終，經過多重延時積分積累起來的電荷包（成像數據信息）轉移到CCD水平讀出寄存器上，并從第1級經運算放大器傳輸出去。從TDI-CCD的電性能特點可以看出，TDI-CCD為一種單方向推掃成像器件。與一般CCD相比，TDI借助了6、12、24、48、96等可變積分級數來增加曝光時間。在傳感器成像時，由于信號存儲與曝光時間是成正比的，TDI-CCD通過延長曝光時間來增加所收集到的光子，因此比一般線陣CCD具有更高的靈敏度，可用在低光照度環境下成像，同時又不會影響掃描速度。TDI-CCD具有可以不犧牲空間分辨率和工作速度的情況下獲得高靈敏度這個突出特點，使其在高速、微光領域具有廣泛的應用前景 。
2.2 關于DALSA IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器
CCD 圖像傳感器是科學級CCD相機的關鍵組成部件， 其性能的優劣直接影響著相機的功能和使用效果。該科學級CCD 相機選用了加拿大DALSA 公司生產的IL-E2型TDI-CCD 圖像傳感器，該TDI-CCD的像素結構 2048×96 。像元尺寸為13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高數據輸出頻率為20MHz 、動態范圍為1600:1 、單向、單端輸出、級數可選、具有藍光響應增強功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分為3個功能區，即光敏元探測區、電荷傳輸區、檢測輸出區。
2.3 IL-E2型TDI-CCD驅動時序分析
TDI-CCD的驅動時序控制比普通線陣CCD的驅動時序控制要復雜的多， IL-E2型TDI-CCD的時序控制包括各種直流電平控制和各種時鐘脈沖序列控制。對于前者，主要包括供電電壓VDD、輸出柵電壓VEST、溢出柵電壓VOV、襯底電壓VBB和級數控制偏置電壓等；對于后者，主要包括行轉移時鐘脈沖TCK，像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2，輸出復位時鐘脈沖RST，TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖CI1～CI4，級數控制時鐘脈沖CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作時，在行轉移時鐘脈沖TCK為高電平期間，像元感光產生的信號電荷在TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下，沿著TDI（TDI級數由TDI級數控制脈沖選為6、12、24、48、96中的一種）方向積累并轉移到輸出移位寄存器中；當TCK為低電平時，TDI-CCD在像元移位讀出時鐘脈沖CR1、CR2的作用下，輸出復位時鐘脈沖RST每來一個有效電平高電平時，TDI-CCD的輸出信號OS端輸出一個信號，直到信號輸出完為止。之后TCK由低電平變為高電平，CI1、CI2、CI3、CI4也相應的變為有效電平，轉移上一次轉移完后像元感光產生的信號電荷，開始一個新的周期。這些時序控制的詳細對應關系如圖2所示。
圖2 TDI-CCD時序詳圖
對于此TDI-CCD時序設計與普通線陣CCD時序設計存在以下幾個突出特點。（1）在TDI方向存在4相移位寄存器驅動時鐘，它們的周期與行周期一致，高電平脈寬t3應大于3μs， CI1的上升沿滯后于TCK的上升沿，CI2的下降沿滯后于TCK的下降沿，CI1、CI2的高電平脈寬至少有1μs的重疊。CI3、CI4在時序關系上分別為CI1、CI2的倒相。（2）此TDI-CCD的工作級數可以通過CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四個級數選擇信號進行控制，使其工作于96、48、24、12和6級。
3 時序發生器的原理組成和工作過程分析
時序發生器產生TDI-CCD、視頻處理器和圖像數據輸出所需的各種時鐘脈沖信號， 時序發生器在CCD成像單元工作中起著時間上同步協調的作用。它由時序控制器給出的指令和參數予以控制。時序控制器控制TDI-CCD工作時的行轉移周期， 積分級數，控制指令和參數以串行數據的形式送至時序控制器中，時序發生器根據時序控制器給出的指令和數據產生TDI-CCD和視頻處理器所需要的時鐘脈沖信號： 行轉移時鐘脈沖、像元移位讀出時鐘脈沖、輸出復位時鐘脈沖、TDI方向移位寄存器驅動時鐘脈沖、級數控制時鐘脈沖、相關雙采樣時鐘脈沖、A/D轉換器采樣時鐘脈沖等。為了提高工作時的可靠性， 在時序控制器中控制指令和參數沒有更新時， 時序發生器將按時序控制器中初始設置參數工作。
時序發生器的設計：時序發生器生成TDI-CCD、視頻處理器和圖像數據輸出所需要的各種時序。所有時序是由主振脈沖序列通過逐級分頻后的脈沖序列進行邏輯和組合運算產生的。它們之間滿足嚴格的相位關系， 這是相機系統協調工作的基礎。時序發生器的功能框圖如圖3所示。相機系統一通電就應保證立即工作在內部默認方式， 這樣就能夠馬上判斷系統是否正常。如果外部或內部設置指令無效， 系統也返回默認方式， 這是相機系統可靠性的體現。時序發生器所產生的各種時鐘由VHDL 語言完成。
圖3 時序發生器功能框圖
4 用 FPGA器件實現科學級CCD相機時序發生器
4.1 FPGA技術及FPGA器件
FPGA－現場可編程門陣列技術是二十年前出現，而在近幾年快速發展的可編程邏輯器件技術。這種基于EDA技術的芯片正在成為電子系統設計的主流。大規模可編程邏輯器件FPGA是當今應用最廣泛的可編程專用集成電路（ASIC）。設計人員利用它可以在辦公室或實驗室里設計出所需的專用集成電路，從而大大縮短了產品上市時間，降低了開發成本。此外，FPGA還具有靜態可重復編程和動態在系統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。因此，FPGA技術的應用前景非常廣闊。
XC2VP20-FF1152 是Xilinx 公司推出的Virtex-II Pro 系列的FPGA，它內部有豐富的資源［5］，包括8 個數字時鐘管理器（DCM），290Kbits 的分布RAM，88×16kByte 的Block RAM，88 個18×18 的專用乘法器（Dedicated Multipliers）單元，2 個PowerPC405 內核，564 個可配置I/O 引腳達（最多276 對差分I/O，速度高達3.125Gbps），最高內部工作頻率420MHz。
4.2 基于FPGA的科學級CCD相機時序發生器的設計與仿真
IL-E2型TDI-CCD的像元數有每行512，1024和2048三種，本文以2048像元數為例設計時序電路。2048為有效像元數，由于每行有5個隔離像元，4個暗參考像元，故設計中要保證最少使每行輸出2057個像元，也就是使每個行周期內最少有2057個CR1、CR2、RST驅動脈沖。每行除了2057個像元驅動脈沖以外，其余為空驅動脈沖。空驅動脈沖數越多，行周期時間越長，CCD曝光積分時間越長，靈敏度相應提高，但過長的曝光積分時間會使CCD輸出飽和失真，故空驅動脈沖數目不易過多。積分時間和像元移位讀出時鐘頻率是CCD時序電路的設計依據。在工程應用中，我們根據技術指標要求，算出行積分時間即行周期（T）為0.365ms，以此確定合適的系統主時鐘。驅動時序用超高速集成電路硬件描述語言（VHDL）編寫，程序主要包括：（1）調用所需的庫函數和程序包；（2）定義輸入和輸出端口；（3）用計數器對輸入的系統主時鐘進行分頻。（4）驅動時序信號的產生和輸出。由XILINX公司的設計軟件ISE6.2對XC2VP20-FF1152器件進行時序設計，通過時序仿真與工程應用驗證了能完成上述所有功能。系統邏輯功能時序仿真波形如圖4所示
圖4時序發生器時序仿真圖
5 結束語
本文的創新是采用FPGA 器件設計科學級CCD相機時序發生器， 使得電路由原來復雜的設計變成主要只用一片XILINX公司的可編程器件XC2VP20-FF1152來實現。獨立的單元測試與系統聯調結果均表明： 采用現場可編程門陣列（FPGA） 技術實現CCD相機時序發生器， 可使電路成倍簡化，提高了系統的集成度，時序發生器抗干擾能力也增強了，其功耗也成倍降低，從而實現了科學級CCD 相機工作時的高可靠性、穩定性，同時還使設計與調試周期成倍縮短。該設計方案為TDI-CCD在科學級CCD相機中的應用開拓了更加廣闊的前景。