基于PLD的CCD Sensor驱动逻辑设计
基于pld的ccd sensor驱动逻辑设计
0 引 言
视觉信息是客观世界中非常丰富，非常重要的部分。随着多媒体系统的发展，图像传感器应用越来越广泛。不仅用于摄录像机，安保产品、数码相机及计算机镜头等，而且开始用于传统上的非视像产品，如移动电话、个人数字助理(pda)等。传送优良的图像，兼顾体积小、重量轻、噪声低、速度快等优点，ccd图像传感器是一个不错的选择。
ccd(电荷耦合器件)作为一种光电转换器件，应用的关键技术是产生正确的驱动器信号和相应的控制信号。不同型号的ccd，驱动信号时序千差万别：有高速ccd驱动，高帧率ccd驱动，高分辨率ccd驱动，紫外ccd驱动，其中既有线阵型也有面阵型。传统的驱动器都采用标准的ttl数字集成电路、单片机或者eprom器件等，这种电路体积大、电路复杂、成本较高并且工作速度慢。在此提出使用可编程逻辑器件(pld)，完成ccd驱动，较好地解决了这些问题。
1 icx285al时序分析
icx285al是sony公司的一款行间转移、方像素、固态面阵图像传感器，其的总像素是1 434×1 050，有效像素是1 392×1 040，活跃像素是1 360×1 024。垂直寄存器有5个驱动时钟v1，v2a，v2b，v3，v4。水平寄存器有4个驱动时钟，2组h1，h2。图1表明水平同步信号hd、垂直同步信号vd、垂直驱动信号的时序关系。图2为上述信号的局部放大的相位关系。驱动脉冲的时序要求如表1所示。
注：vt:读出时钟信号(readout clock)；twh：脉冲商电平保持时间；tw1：脉冲低电平保持时间；tr：脉冲上升沿时间；tf：脉冲下降沿时间。
2 icx285al驱动逻辑设计
icx285al驱动电路主要有三部分：水平和垂直同步信号，刷新信号和四相位驱动脉冲。
2．1 水平同步信号hd和垂直同步信号vd
由icx285al原理可知，基本时钟clk循环周期应当设为1 790。水平驱动信号h1，h2和垂直驱动信号v1，v2a，v2b，v3，v4，以及转移信号sub在此基础上建立相互的时序关系。h1与h2相位相差180°，v2a与v2b相位完全相同。
设置水平同步信号hd和垂直同步信号vd的关系，可定位sensor有效行的起始位置以及用于校正目的的暗像素(dark pixel)位置。如图3所示，通过sensor采集的图像有效行数为1 063-3=1 060。图4表明水平驱动信号h1与水平同步信号hd的时序关系。水平驱动信号h1、h2，水平同步信号hd与基本时钟信号clk之间的时序关系如图5所示，完全满足hd的相位要求。
2．2 刷新信号sub
刷新信号sub表示sensor每传输一行图像信号，就会有一个刷新脉冲产生。参照icx285al原理，系统的基本计数器counter计数范围从1～161之间的值时，sub为“0”，低电平；counter计数范围从161～287之间的值时，sub为“1”，高电平；当为其他值时，sub为“0”。图6为刷新信号sub与垂直驱动信号时序关系的仿真结果。
2．3 四相位驱动脉冲
根据四相ccd电荷转移的原理，ccd中的电荷根据四相时钟信号驱动，实现电荷转移。设计过程中必须保证四相驱动信号v1，v2，v3，v4的时序关系。图7所示为四相驱动信号与水平同步信号的仿真波形。
3 驱动电路cpld实现
采用altera公司的cpld芯片epm3256aqc208完成ccd驱动电路，方案已应用于工业摄像头系统。利用泰克500 mhz示波器实测波形如图8所示，图9为水平驱动和垂直驱动信号局部放大波形。时序及时延参数均满足要求，工作稳定可靠。基于pld技术的方案，易于实现与其他芯片的接口，具有高度灵活性、天然的并行性和快速成型等特点，同时可通过编译平台方便设置pld芯片的驱动电流，有效降低系统噪声，是一种性价比较高的选择。
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注：vt:读出时钟信号(readout clock)；twh：脉冲商电平保持时间；tw1：脉冲低电平保持时间；tr：脉冲上升沿时间；tf：脉冲下降沿时间。
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2．1 水平同步信号hd和垂直同步信号vd
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设置水平同步信号hd和垂直同步信号vd的关系，可定位sensor有效行的起始位置以及用于校正目的的暗像素(dark pixel)位置。如图3所示，通过sensor采集的图像有效行数为1 063-3=1 060。图4表明水平驱动信号h1与水平同步信号hd的时序关系。水平驱动信号h1、h2，水平同步信号hd与基本时钟信号clk之间的时序关系如图5所示，完全满足hd的相位要求。
2．2 刷新信号sub
刷新信号sub表示sensor每传输一行图像信号，就会有一个刷新脉冲产生。参照icx285al原理，系统的基本计数器counter计数范围从1～161之间的值时，sub为“0”，低电平；counter计数范围从161～287之间的值时，sub为“1”，高电平；当为其他值时，sub为“0”。图6为刷新信号sub与垂直驱动信号时序关系的仿真结果。
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根据四相ccd电荷转移的原理，ccd中的电荷根据四相时钟信号驱动，实现电荷转移。设计过程中必须保证四相驱动信号v1，v2，v3，v4的时序关系。图7所示为四相驱动信号与水平同步信号的仿真波形。
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