ABOUT RELY-MEASURE
您的当前位置:主页 > 使用说明 >

基于FPGA器件XC2VP20-FF1152实现科学级CCD相机的控制设计

发布时间:2020-11-12 21:02 作者:银河总站

  ic grade CCD camera)是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态范围和高量子效率等优良性能的CCD相机,用于对微光信号检测和微光成像。它在射线数字成像检测、生物医学工程、水下摄影、武器装备、天文观测、空间对地观测等多种技术领域得到了广泛应用。

  科学级CCD相机一般由高速CCD 感光芯片、视频信号处理器、时序控制器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像系统等部分组成,其中时序发生器性能的优劣直接决定了相机的品质参数。该科学级CCD相机采用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作为传感器,本文分析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的工作过程和对驱动信号的要求,在此基础上设计出合理的时序电路, 为了满足在实际工作中像移速度异速匹配的要求,在时序电路的设计中时序发生部分是可调的。这种设计方案简单、可靠、实用。在综合比较各种硬件实现电路的优缺点后,选用现场可编程逻辑门阵列(FPGA) 作为硬件设计平台,使用VHDL 语言对驱动电路方案进行了硬件描述,采用EDA软件对所设计的时序发生器成功地进行了功能仿真。最后针对XILINX公司的可编程逻辑器件XC2VP20-FF1152进行了适配和硬件电路调试,进而实现了对整个科学级CCD 相机的控制。

  TDI(time delay and integraTIon)是一种能够增加线扫描传感器灵敏度的扫描技术。TDI-CCD是具有一种面阵结构、线阵输出的新型CCD,较普通的线阵CCD而言,它具有多重级数延时积分的功能。从其结构来看,多个线阵平行排列,像元在线阵方向和级数方向呈矩形排列,像元分布示意图如图1所示。

  图1中,TDI-CCD的电荷累积方向是沿Y向进行的,其推扫级数自下而上为第1级至第96级。在成像过程中,随着相机(或景物)的运动,TDI-CCD从第96级至第1级依次感光,电荷从第96级至第1级逐级累积。最终,经过多重延时积分积累起来的电荷包(成像数据信息)转移到CCD水平读出寄存器上,并从第1级经运算放大器传输出去。从TDI-CCD的电性能特点可以看出,TDI-CCD为一种单方向推扫成像器件。与一般CCD相比,TDI借助了6、12、24、48、96等可变积分级数来增加曝光时间。在传感器成像时,由于信号存储与曝光时间是成正比的,TDI-CCD通过延长曝光时间来增加所收集到的光子,因此比一般线阵CCD具有更高的灵敏度,可用在低光照度环境下成像,同时又不会影响扫描速度。TDI-CCD具有可以不牺牲空间分辨率和工作速度的情况下获得高灵敏度这个突出特点,使其在高速、微光领域具有广泛的应用前景 。

  CCD 图像传感器是科学级CCD相机的关键组成部件, 其性能的优劣直接影响着相机的功能和使用效果。该科学级CCD 相机选用了加拿大DALSA 公司生产的IL-E2型TDI-CCD 图像传感器,该TDI-CCD的像素结构 2048×96 。像元尺寸为13μm( H) ×13μm( V )、最高数据输出频率为20MHz 、动态范围为1600:1 、单向、单端输出、级数可选、具有蓝光响应增强功能的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD可以分为3个功能区,即光敏元探测区、电荷传输区、检测输出区。

  TDI-CCD的驱动时序控制比普通线阵CCD的驱动时序控制要复杂的多, IL-E2型TDI-CCD的时序控制包括各种直流电平控制和各种时钟脉冲序列控制。对于前者,主要包括供电电压VDD、输出栅电压VEST、溢出栅电压VOV、衬底电压VBB和级数控制偏置电压等;对于后者,主要包括行转移时钟脉冲TCK,像元移位读出时钟脉冲CR1、CR2,输出复位时钟脉冲RST,TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲CI1~CI4,级数控制时钟脉冲CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD工作时,在行转移时钟脉冲TCK为高电平期间,像元感光产生的信号电荷在TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲CI1、CI2、CI3、CI4的共同作用下,沿着TDI(TDI级数由TDI级数控制脉冲选为6、12、24、48、96中的一种)方向积累并转移到输出移位寄存器中;当TCK为低电平时,TDI-CCD在像元移位读出时钟脉冲CR1、CR2的作用下,输出复位时钟脉冲RST每来一个有效电平高电平时,TDI-CCD的输出信号OS端输出一个信号,直到信号输出完为止。之后TCK由低电平变为高电平,CI1、CI2、CI3、CI4也相应的变为有效电平,转移上一次转移完后像元感光产生的信号电荷,开始一个新的周期。这些时序控制的详细对应关系如图2所示。

  对于此TDI-CCD时序设计与普通线阵CCD时序设计存在以下几个突出特点。(1)在TDI方向存在4相移位寄存器驱动时钟,它们的周期与行周期一致,高电平脉宽t3应大于3μs, CI1的上升沿滞后于TCK的上升沿,CI2的下降沿滞后于TCK的下降沿,CI1、CI2的高电平脉宽至少有1μs的重叠。CI3、CI4在时序关系上分别为CI1、CI2的倒相。(2)此TDI-CCD的工作级数可以通过CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四个级数选择信号进行控制,使其工作于96、48、24、12和6级。

  时序发生器产生TDI-CCD、视频处理器和图像数据输出所需的各种时钟脉冲信号, 时序发生器在CCD成像单元工作中起着时间上同步协调的作用。它由时序控制器给出的指令和参数予以控制。时序控制器控制TDI-CCD工作时的行转移周期, 积分级数,控制指令和参数以串行数据的形式送至时序控制器中,时序发生器根据时序控制器给出的指令和数据产生TDI-CCD和视频处理器所需要的时钟脉冲信号: 行转移时钟脉冲、像元移位读出时钟脉冲、输出复位时钟脉冲、TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲、级数控制时钟脉冲、相关双采样时钟脉冲、A/D转换器采样时钟脉冲等。为了提高工作时的可靠性, 在时序控制器中控制指令和参数没有更新时, 时序发生器将按时序控制器中初始设置参数工作。

  时序发生器的设计:时序发生器生成TDI-CCD、视频处理器和图像数据输出所需要的各种时序。所有时序是由主振脉冲序列通过逐级分频后的脉冲序列进行逻辑和组合运算产生的。它们之间满足严格的相位关系, 这是相机系统协调工作的基础。时序发生器的功能框图如图3所示。相机系统一通电就应保证立即工作在内部默认方式, 这样就能够马上判断系统是否正常。如果外部或内部设置指令无效, 系统也返回默认方式, 这是相机系统可靠性的体现。时序发生器所产生的各种时钟由VHDL 语言完成。

  FPGA-现场可编程门阵列技术是二十年前出现,而在近几年快速发展的可编程逻辑器件技术。这种基于EDA技术的芯片正在成为电子系统设计的主流。大规模可编程逻辑器件FPGA是当今应用最广泛的可编程专用集成电路ASIC)。设计人员利用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路,从而大大缩短了产品上市时间,降低了开发成本。此外,FPGA还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。因此,FPGA技术的应用前景非常广阔。

  4.2 基于FPGA的科学级CCD相机时序发生器的设计与仿线型TDI-CCD的像元数有每行512,1024和2048三种,本文以2048像元数为例设

  序电路。2048为有效像元数,由于每行有5个隔离像元,4个暗参考像元,故设计中要保证最少使每行输出2057个像元,也就是使每个行周期内最少有2057个CR1、CR2、RST驱动脉冲。每行除了2057个像元驱动脉冲以外,其余为空驱动脉冲。空驱动脉冲数越多,行周期时间越长,CCD曝光积分时间越长,灵敏度相应提高,但过长的曝光积分时间会使CCD输出饱和失真,故空驱动脉冲数目不易过多。积分时间和像元移位读出时钟频率是CCD时序电路的设计依据。在工程应用中,我们根据技术指标要求,算出行积分时间即行周期(T)为0.365ms,以此确定合适的系统主时钟。驱动时序用超高速集成电路硬件描述语言(VHDL)编写,程序主要包括:(1)调用所需的库函数和程序包;(2)定义输入和输出端口;(3)用计数器对输入的系统主时钟进行分频。(4)驱动时序信号的产生和输出。由XILINX公司的设计软件ISE6.2对XC2VP20-FF1152器件进行时序设计,通过时序仿真与工程应用验证了能完成上述所有功能。系统逻辑功能时序仿线 结束语本文的创新是采用FPGA 器件设计科学级CCD相机时序发生器, 使得电路由原来复杂的设计变成主要只用一片XILINX公司的可

  件XC2VP20-FF1152来实现。独立的单元测试与系统联调结果均表明: 采用现场可编程门阵列(FPGA) 技术实现CCD相机时序发生器, 可使电路成倍简化,提高了系统的集成度,时序发生器抗干扰能力也增强了,其功耗也成倍降低,从而实现了科学级CCD 相机工作时的高可靠性、稳定性,同时还使设计与调试周期成倍缩短。该设计方案为TDI-CCD在科学级CCD相机中的应用开拓了更加广阔的前景。

  数据采集系统是计算机测控系统中不可或缺的组成部分,是影响测控系统的精度等性能指标的关键因素之一。常用....

  自产生到现在,现场可编程门阵列(FPGA)以其独特的优点被成功应用在工业控制、数据通信、计算机硬件等....

  传统的数据采集系统,通常采用单片机或DSP作为主要控制模块,控制ADC、存储器和其他外围电路的工作。....

  在验证和调试系统时,传统上是把信号线引到I/O引脚,然后采用示波器、逻辑分析仪或总线分析仪进行测量和....

  便携式设备的便携性是与电池的发展息息相关的,从最初的铅酸电池、镍镉(Ni-Cd)电池发展到镍氢(Ni....

  INS/GPS组合导航系统在军事领域和民用方面的运动载体中得到了广泛应用。INS是组合导航系统中的核....

  数字下变频DDC(digital down lonvwrsionl作为系统前端A/D转换器与后端通用....

  倾斜摄影技术是国际测绘领域近些年发展起来的一项高新技术,它颠覆了以往正射影像只能从垂直角度拍摄的局限....

  嗨专家, 我有一个名为WAKEUP_N的信号,它有一个单独的上拉至3.3V辅助电压,总是3.3V,无论FPGA上电还是...

  你好, 我目前正在修改电路设计,用xc7z045 FPGA取代xc7z020 FPGA。 目前的设计使用与Zedboard相同的电源排...

  突如其来的疫情,对于产业链更是带来巨大的影响。随着疫情在全球范围内的大肆蔓延,可以预见今后一段时间内....

  随着科学技术的发展和社会发展应用需求,人们对视频图像采集处理高清化,传输实时化和控制智能化的要求越来....

  在导弹型号的研制过程中,匹配装置是用于遥测系统中信号变换的关键部件,是弹上所有关键部件的信息送到遥测....

  在数据采集系统中, 常需要进行异步串行数据传输,目前广泛使用的RS232异步串行接口,如8250、N....

  嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积....

  对于国内而言,正如DSP在20年前出现的情形一样,如今,FPGA正处于数字信号处理技术的前沿。而DS....

  FPGA是新型的可编程逻辑器件,能够将大量的逻辑功能集成于单个器件中,它所提供的门数从几百门到上百万....

  IEEE 802.11标准定义了能够统筹所有基于以太网的无线通信的协议。它是迄今为止最流行的无线局域....

  传统的测控网是将具有各种功能的仪器通过诸如VXI、CAN等专用总线连接起来构成一套完整的测控系统。现....

  在科研和工程中,数据采集系统具有很广泛的应用,针对各类电压型传感器输出的信号伏值不同这种情况,本文提....

  相控阵是通过波控系统控制阵列天线各单元通道的相位、幅度以形成空间波束并控制其方位角和俯仰角。早期的波....

  在电路测试中。常常需要测试频率特性。电路的频率特性体现了放大器的放大性能与输入信号频率之间的关系。频....

  利用FPGA开发振动模拟器研制开发费用低,不承担投片风险,通过开发工具在计算机上完成设计,电路设计周....

  矩阵键盘原来是按一下输出一个值,现在想把其中几个值改为一直按一直输出而不是一直按着只输出一个值 ...

  你好, 我们想使用LCD引脚,在FPGA中获得外部输入信号。 我们在上阅读了讨论,我们使用vivado逻辑进行了一些...

  至简设计系列_串口回环工程 --作者:小黑同学 本文为明德扬原创及录用文章,转载请注明出处! 1.1 总体设计1.1.1 概...

  UART(通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。专....

  FMC标准描述了一个通用的模块,它是以一定范围的应用,环境和市场为目标的。

  本文采用的是ALTERA公司的EP1C6Q240C8型号的FPGA,整个体统采用模块化设计的思想,将....

  FPGA/CPLD技术是近年来计算机与电子技术领域的又一场新的革命,为了保护知识产权,出现了各种层次....

  近些年来,各种电路功能,包括模拟电路和数字电路,越来越多地用单片集成电路来实现。采用单片集成电路不仅....

  随着数字电路技术的发展,特别FPGA技术的普遍应用,采用FPGA实现全数字锁相环(ADPLL)的应用....

  演化硬件(EHW)是指能根据外部环境变化自动改变自身结构和功能的一类硬件,它把可编程逻辑器件的结构位....

  实际的基带传输系统,含有丰富直流和低频成分的基带信号不适宜在信道中传输。而对具有易获取定时信息、无直....

  在常用的信号源及信号处理设计方案中,RC/LC振荡电路频率调整方便,但是它的工作频率稳定度较低。频率....

  CCD驱动板完成CCD信号的驱动,产生CCD像元同步、帧同步信号和经过运放处理的视频信号,DSP电路....

  图像增强最早起源于人类的空间探索计划。从卫星或飞船上获得的关于地球和太阳系中行星的图像因为多种原因而....

  在往复式压缩机状态在线监测系统中,由于压缩机结构复杂、零部件多、运动形式各不相同,发生的故障也就会多....

  本文使用了6输入1输出的BP神经网络结构,其隐含层选择了8个神经元。当传感器出现故障时,系统就根据传....

  已经可以支持到DDR3的800M。内部频率150M---200M,可以很好的运行。硬件部分和国外的中....

  有了世界领先的模型压缩技术,我们可以在对精度影响极小的情况下,将模型的复杂性降低 5 至 50 倍。....

  Everspin在磁存储器设计,制造和交付到相关应用中的知识和经验在半导体行业中是独一无二的。Eve....

  请问zynq 怎么实现PS与PL数据交互,然后通过UART串口打印出来?

  请问zynq 怎么实现PS与PL数据交互,然后通过UART串口打印出来? 前辈们做过的指导我一下。 ...

  在高空航拍,镜头离对焦点大多有几百米的距离,首先空气的洁净度或者说能见度极为重要,尤其是近年比较关注....

  实际上,FPGA 器件的功能早已超越了传统意义上的胶合逻辑功能。随着各种技术的相互融合,为了同时满足....

  随着信息需求量的增大,网络都逐渐朝着综合化、宽带化方向发展。数据速率的提高,对于数字信号处理的速度和....

  现场可编程门阵列FPGA是一种由用户实现芯片功能的器件,用户在设计完成之后可以进行功能仿真,也可以现....

  Σ-Δ调制在数字信号处理以及通信系统方面的应用正越来越引起大家的重视,因为Σ-Δ调制实现时主要采用数....

  在GPS接收机的设计中,为了检验和完善信号处理算法,需要在本地获得GPS数字中频信号数据。采用真实的....

  光电脉冲编码器是一种集光、机、电为一体的用于检测机械位移或间接检测速度的光电传感器,根据其用于检测角....

  64 Kbit/s的A律或μ律的对数压扩PCM编码在大容量的光纤通信系统和数字微波系统中已得到广泛应....

  传统的视觉测量系统主要是在 PC机上采用软件方式实现,由于其专用性不够高,因此处理速度较慢。近年来,....

  在视频处理系统中,多维并行输入输出信号的频率一般都在百兆赫兹以上,而且对时序的要求也非常严格。本文以....

  【MYMINIEYE Runber蜂鸟开发版免费试用连载】安装软件和申请license

  1、高云的软件还是比较完善的,可以从官网下载、但是下载完还是需要申请...

  嗨专家, 我有一个使用XC7K325T-2FFG900C的新设计,HP组的IO标准是LVDS18(1.8V LVDS),该组将...


银河总站
Copyright © 2018 银河总站 All Rights Reservrd 版权所有 技术支持:捷搜网络
网站部分图片来自互联网,如有侵权,请及时通知,我们会及时更换!