如何利用VHDL实现图像传感器TCD1206的驱动设计

　　电荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）是集光电转换、电荷储存、电荷转移为一体的新型光电传感器件。该器件的主要功能是将光学图像转换为电信号。当对其施加特定时序脉冲时，其存储电荷能在CCD内作定向移动，从而实现自扫描．输出电压信号的大小与CCD单元存储的电荷多少成正比，CCD单元存储电荷多少与光的强度和CCD单元光积分时间成正比。与传统的光电传感器相比，CCD图像传感器具有输出噪声小，动态范围大，光谱响应范围宽，分辨率高，输出信号线性度好，功耗低，体积小，寿命长等优点。而CCD应用的关键就是获取驱动脉冲，这里分析线阵CCD-TCDl206的工作原理和对驱动时序的要求，在此基础上设计合理的脉冲产生方案。该设计采用复杂可编程逻辑器件CPLD作为硬件设计平台，通过超高速硬件描述语言VHDL描述驱动方案，采用Altera公司的仿真软件QUARTUS II对其驱动脉冲进行仿真。
　　1 TCDl206的主要特点
　　TCDl206是一款高灵敏度、低暗电流、2 160像元的双沟道线阵CCD图像传感器。由2 236个PN结光电二极管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，中间2 160个光电二极管是曝光像敏单元，每个光敏单元的尺寸为长14μm、高14μm，中心距亦为14μm。光敏元阵列总长为30．24 mm。
　　TCDl206的主要特性有：1）光敏像元数为2 160像元；2）像敏单元为：14μmxl 414μm（相邻像元中心距为14μm）；3）光谱范围为250～l 100 nm：4）光敏区域采用高灵敏度PN结作为光敏单元；5）时钟为二相（5 V）；6）内部电路包含采样保持电路，输出预放大电路；7）采用22引脚DIP封装。
　　2 TCDl206的结构原理和引脚功能
　　2．1结构原理
　　TCDl206是二相电极的双沟道线型CCD，其结构原理如图1所示。中间一排是由多个光敏二极管构成的光敏阵列，有效单元为2 160位，其作用是接收照射到CCD硅片的光，并将其转化成电荷信号，光敏元两侧是存储其电荷的MOS电容列一存储栅。MOS电容列两侧是转移栅电极SH。转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿单元构成。
　　
　　2．2引脚功能
　　TCDl206器件采用DIP封装，各引脚功能如表1所示。
　　
　　3 驱动时序及驱动设计
　　3．1驱动时序分析
　　TCDl206在图2所示的驱动脉冲作用下工作。当SH脉冲高电平到来时，φ1脉冲为高电平，其下形成深势阱，同时SH的高电平使φ1电极下的深势阱与MOS电容存储势阱沟通。MOS电容中的信号电荷包通过转移栅转移到模拟移位寄存器的φ1电极下的势阱中。当φSH由高变低时，φSH低电平形成的浅势阱将存储栅下的势阱与φ1电极下的势阱隔离开。存储栅势阱进入光积分状态，而模拟移位寄存器将在φ1与φ2脉冲的作用下驱使转移到φ1电极下的势阱中的信号电荷向左转移，并经输出电路由OS电极输出。DOS端输出补偿信号。
　　
　　由于结构上的安排，OS端首先输出 13个虚设单元信号，再输出51个暗信号，然后才连续输出Sl到S2160的有效像素单元信号。第S2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后是空驱动。空驱动的数目可以是任意的。由于该器件是两列并行分奇偶传输的，所以在一个SH周期中至少要有1 118个φ1脉冲。RS为复位级的复位脉冲，复位一次输出一个信号。
　　3．2驱动电路设计
　　驱动电路的作用是给CCD提供正常工作所需要的逻辑时序脉冲和偏置工作电压．并在CCD的输出端把光电转换得到的电荷量转变成电压量输出。驱动脉冲信号的波形、相位、前后沿时间等对器件工作有很大影响。
　　为了保证CCD工作稳定可靠．必须设计符合CCD正常工作要求的时序脉冲和驱动控制电路，驱动控制脉冲与CCD良好配合，才能充分发挥CCD的光电转换、电荷存储和电荷转移等功能。不同型号的CCD要求的工作参数不同，很难设计一种驱动控制电路同时满足多种CCD工作需要，即使是相同像元数的CCD器件，若型号不同也不具有互换性。
　　TCDl206传感器的驱动脉冲都为周期性方波，但周期和占空比不同。其4路驱动脉冲之间需要满足特定的时序关系：根据驱动脉冲时序图可知在1个SH周期中至少有l 118个φ1脉冲。即TSH》l 118T1，T1为驱动脉冲φ1的周期。这里选择TSH=1 128T1。在SH为高电平期间，要求φ1l与φ2有一个大于SH=1持续时间的宽脉冲，这是由于此时像元中的电荷正在向两列寄存器中转移，如果在此期间φ1与φ2有上升或下降沿出现，则会造成电荷转移不完全的情况。时钟脉冲φ1，φ2频率的最大值是l MHz，典型值是0．5 MHz。复位脉冲RS频率的最大值是2 MHz，典型值是1 MHz。本设计中都选用典型值。而且φ1、φ2必须反相，占空比l：l；SH的高电平脉冲宽度要小于φ1，φ2；RS与CLK时钟的占空比为l：4。
　　3．2．1原理图设计
　　确定SH、φ1、φ2和RS的参数后，则可根据它们之间的时序关系设计硬件逻辑图，如图3所示。
　　
　　本设计利用CPLD作为硬件设计平台，它具有较高的灵活性，电子电路设计完成后，如果需修改时序逻辑。只需重写CPLD内部逻辑电路即可。因此，CPLD非常适合用于设计CCD驱动电路。
　　各个模块的设计采用VHDL语言描述。采用4 MHz的时钟CLK作为输入的时钟，Dl模块用于将时钟信号进行8分频，将4 MHz的时钟频率分成0．5 MHz。D2模块是将时钟频率分成l MHz，占空比为l：4。COUNTERll28模块和NCOUNTERll28模块分别是上升沿和下降沿计数，计数范围在0～1128之间循环，在前两个时钟为高电平，其余时间都为低电平。
　　电路实现是先用D1模块将4 MHz的时钟频率分成0．5 MHz，用0．5 MHz的脉冲作为COUNTERll28和NCOUNTERll28的输入端，将COUNTERll28和NCOUNTERll28的输出相与，输出结果就是SH，将D1和COUNTERll28以及NCOUNTERll28的输出进行逻辑或，则得到φ1，再将φ1反相，得到φ2，由D2模块可直接得到RS。
　　3．2．2模块电路的VHDL设计
　　每个模块的VHDL设计都包括如下部分：1）定义所需的库函数；2）定义输入、输出端口；3）对设计所需预置数初始化；4）相关功能的实现语句。CCD驱动程序主体部分设计如下：
　　
　　4 设计结果仿真
　　图4是在Altem公司的QUARTUS II开发系统中仿真的波形．从图中可以看出，产生的4路驱动脉冲完全满足TCDl206所需的时序脉冲，达到驱动要求。
　　
　　5 结束语
　　VHDL是一种自上向下设计的硬件描述语言，同时又具有高级语言的特性，这使得用这种硬件描述语言设计的逻辑功能比较容易实现。同时VHDL语言具有很好的可重用性和可移植能力，能够减轻工作量。利用VHDL设计整个传感器的驱动，并与硬件原理图相结合，不同于以往以单纯的硬件设计实现，这样不仅利于修改而且设计周期短。因此，基于VHDL对TCDl206驱动电路的设计是一种较实用的设计方案。