基于fpga的线型ccd高速驱动采集一体化控制板设计_毕业论文(编辑修改稿)

基于fpga的线型ccd高速驱动采集一体化控制板设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

时序 模块 、 模拟前端处理 器 （ AFE） 配置时序 模块、内部缓存 RAM 模块以及总体控制模块的设计。 在以上硬件和软件设计完成 并仿真通过 后，利用 EDA 工具 对 FPGA 进行 配置下载。 硬件调试完成后，对整个图像采集系统进行实物联机调试。 西南科技大学本科生毕业论文 5 第 2 章 系统总体设计 系统总体结构 图像采集系统主要由照明系统、线阵 CCD 图像 传感器、 模拟前端处理 器电路、数据缓存 器 及 传输 接口等组成，系统总体结构图如 图 21 所示。 系统的主要功能是 驱动 CCD 将 被测对象的光学图像转换 成 模拟图像 信号，经过 AFE 处理后转换为数字信号 缓存于 RAM 中 ， 最后经过 适当的 传输接口 把 采集 图像 数据送入计算机中 处理。 照明系统被测对象模拟前端处理线阵C C D缓存器计算机传输接口逻 辑 控 制 图 21 系统总体结构 系统开发工具 20 世纪 90 年代，国际上在电子和计算机技术方面较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，并取得了巨大成功。 在电子技术设计领域，可编程逻辑器件 (如 CPLD、 FPGA)的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数字系统的设计带来了极大的灵活性。 这些器件可以通过软件编程而能够对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。 这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了 EDA 技术的迅速发展。 EDA 是电子设计自动化 (Electronic Design Automation)的缩写，在 20 世纪 90 年代初从计算机辅助设计 (CAD)、计算机辅助制造 (CAM)、计算机辅 助测试 (CAT)和计算机辅助工程 (CAE)的概念发展而来的。 EDA 技术就是以计算机为工具，设计者在EDA 软件平台上，用硬件描述语言 HDL 或原理图完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标西南科技大学本科生毕业论文 6 芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。 简而言之， EDA 技术就是利用软件程序和工具来设计并实现硬件产品。 EDA 技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可行性，并减轻了设计者的劳动强度。 目前， EDA 技术已经成为现代电子设计领域的基本手段，涵盖印制电路板 (PCB)设计、可编程逻辑器件开发、专用集成芯片设计以及系统验证等诸多领域。 Protel DXP20xx 简介 本设计采用 Protel DXP20xx 来完成整个系统的硬件电 路及 PCB 板设计。 Protel DXP20xx 是 Altium 公司于 20xx 年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。 当前比较流行的 Protel 9 Protel 99 SE，就是它的前期版本。 Protel DXP 20xx 已不是单纯的 PCB（印制电路板）设计工具，而是由多个模块组成的系统工具，分别是 SCH（原理图）设计、 SCH（原理图）仿真、 PCB（印制电路板）设计、 Auto Router（自动布线器）和 FPGA 设计等，覆盖了以PCB 为核心的整个物理设计。 该软件将项目管理方式、原理图和 PCB 图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。 与较早的版本 Protel99 相比， Protel DXP 20xx 不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了 VHDL 和 FPGA 设计系统，其功能大大加强了。 FPGA 的常用开发工具 本设计采用 Quartus II 开发软件，其提供了一种与结构无关的全集成化设计环境，使设计者能对 Altera 的各种产品系列方便地进行设计输入、快速处理和器件编程。 Quartus II 开发系统具有强大的处理能力和高度的灵活性，它的优点主要表现在以下方面： 与结构无关： Quartus II 系统的编译程序，支持 Altera 全部系列的 PLD 产品，提供与结构无关的设计开发环境，具有强大的逻辑综合与优化功能。 全集成化： Quartus II 的设计输入、逻辑综合、布局布线、仿真校验和编程下载等功能都全部集成在统一的开发环境下，可以加快动态开发和调试，缩短开发周期。 硬件描述语言 (HDL)： QuartusII 支持各种 HDL 输入选项，包括 VHDL， Verilog 西南科技大学本科生毕业论文 7 HDL 和 Altera 的硬件描述语言 AHDL。 丰富的设计库： Quartus II 提供丰富的库单元供设计者调用，其中包括各类常用的基本数字器件，以及参数化的宏单元模块 (MegaFunction)。 在本系统设计中，采用了国际上通用的 VHDL 语言对某些具有特定功能的逻辑模块进行设计。 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)，即甚高速集成电路硬件描述语言，已经成为一个电子电路和系统的描述、建模、综合的工业标准。 它具有强大的语言结构，可以用简洁明确的代码描述来进行复杂控制逻辑的设计。 它具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用元件的生成。 西南科技大学本科生毕业论文 8 第 3 章 系统硬件 设计 系统硬件结构 系统主要完成的任务是将采集到的图像数据传输到计算机中 处理 ，这一 过程需要完善的硬件平台作为保障才 能将大量数据实时无误的传输。 该硬件平台 主要 包括如下几个部分 :线阵 CCD 图像传感器、 VSP5010 图像数字转换器 、 FPGA 最小系统 ，硬件结构 如 图 31 所示。 线阵 CCD 图像传感器将采集到的图像信号转化成电压信号输出，然后经过 VSP5010 对该信号进行模拟前端处理，最终 转换成数字信号。 FPGA 是整个系统的控制核心，系统采用的是 Altera 公司 Cyclone 系列的 EP1C3 来产生 线阵 CCD图像传感器、 模拟前端处理器的驱动脉冲和控制信号 ， 并 把 VSP5010 输出的数字图像信号缓存于利用 IP 核 (Intellectual Property core)产生的 内部 双口 RAM 缓存器中。 F P G AE P 1 C 3A F EV S P 5 0 1 0电 电电 电 电 电 IO 电 电电 电 电 电7 4 L V C 1 6 2 45电 电C C DT C D 1 5 0 1 D 图 31 系统硬件结构图 CCD 硬件设计 CCD 工作原理 CCD 是基于金属 — 氧化物 — 半导体技术的光电转换器件，它是由很多光敏像元组成 的，即在 P 型 (或 N 型 )硅衬底的表面用氧化方法形成一层厚度约 硅层，再在二氧化硅上蒸镀一层金属膜，并用光刻的方法制成栅状电极。 CCD 的基本工作步骤为 ： 把入射光子转变成电荷，把这些电荷转移到输出放大器上，并把电荷转 变成电压或电流信号，使这些电压或电流能被传感器外的电路感知。 当栅极施加正偏压后，空穴被排斥，产生耗尽区，偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体内延伸，西南科技大学本科生毕业论文 9 将半导体电子吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 CCD 中电荷从一个位置转移到另一个位置，在开始时刻，有一些电荷存储在偏压为 10V 的第一个电 极下的势阱中，其它电极上均加有大于阈 值的较低电压。 经过一定时刻后，各电极上的电压发生变化，电荷包向右移动。 将按一定规律变化的电压 (如外部的时钟电压 )加到 CCD 各电极上，电极下的电荷包就沿半导体表面按一定方向转移到输 出端，实现图像的自扫描，从而将照射在 CCD 上的光学图像转换成电信号图像，直接显示图像全貌。 图 32 是线阵 CCD 的结构示意图，可以看出器件主要有光敏区、转移区、输出单元这三部分组成。 光敏区由 N 个光敏元排成一列，光敏单元始终进行光积分，当转移栅加高电平时， N 个光信号电荷包并行转移到所对应的那位 CCD 中，然后，转移栅加低电平，转移中断，进行下一行积分。 N 个电荷包依次沿着 CCD 串行传输，每驱动一个周期，各信号电荷包向输出端方向转移一位，第一个驱动周期输出第一个光敏元信号电荷包。 第二个驱动周期输出第二个光敏元信号电 荷包，依次类推，第 N个驱动周期输出第 N 个光敏元信号电荷包。 当一行的 N 个信号全部读完，产生一个触发 信号，使转移栅变为高电平，将新一 行的 N 个光信号电荷包并行转移到 CCD 中，开始新一行信号传输和读出，周而复始。 图 32 线阵 CCD 结构图 CCD 的主要特性参数 转移效率 转移效率 η是指电荷包在进行每一次转移中的效率，即电荷包从一个栅转移到下一个栅时，有 η部分的电荷转移过去，余下 e 部分没有被转移， e 称转移损失率，根据电荷守恒原理有 ： η=1－ e () 由定义可知，一个电荷量为 0Q 的电荷包，经过 n 次转以后的输出电荷量应为 : 0 nn () 西南科技大学本科生毕业论文 10 即总效率为 : 0/ nn () 由于 CCD 中的信号电荷包大都要经历成百上千次的转移，即使η 值几乎接近 1，但其总效率往往仍然很低。 暗电流 CCD 成像器件在既无光注 入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。 暗电流的根本起因在于耗尽区产生复合中心的热激发。 由于工艺过程不完善及材料不均匀等因素的影响， CCD 中暗电流密度的分布是不均匀的。 暗电流的危害主要有两个方面，即限制器件的低频限和引起固定图像噪声。 灵敏度 指在一定光谱范围内单位曝光量的输出信号电压 (电流 )。 曝光量是指光强与光照时间之积，也相当于投射到光敏元上的单位辐射功率所产生的电压 (电流 )，其单位为V/W（ A/W）。 CCD 的光谱响应基本上由光敏元材料决定，也与光敏元结构尺寸差异、电极材料和器件转移效率不均 匀等因素有关。 光谱响应 CCD 对不同波长的光的响应程度是不一样的。 例如， CCD 对蓝光的响应是比较差 的，这是因为在多晶硅中蓝光被吸收的比较厉害，以及在多晶硅 — 氧化物 — 硅等层中引 起的多层干涉的结果。 通常把响应度等于峰值响应的一半所对应的波长范围称为光谱响应范围。 普通 CCD 的光谱响应范围为 400～ 1100nm。 噪声 CCD 的噪声可归纳为三类 :散粒噪声、转移噪声和热噪声。 (1) 散粒噪声 在 CCD 中，无论是光注入、电注入还是热产生的信号电荷包的电子数总有一定的不确定性，也就是围绕平均值上下变化，形成噪 声。 这种噪声常被称为散粒噪声，它与频率无关，是一种白噪声。 散粒噪声代表着器件最高信噪比的极限，片外的信号处理电路不能对此噪声进行抑制。 (2) 转移噪声 转移噪声主要是由转移损失及表面态俘获引起的噪声，这种噪声具有累积性和相关性。 累积性是指转移噪声是在转移过程中逐次累积起来的，与转移次数成正比。 相关性是指相邻电荷包的转移噪声是相关的，因为电荷包在转移过程中，每当有一过量西南科技大学本科生毕业论文 11 △ Q 电荷转移到下一势阱时，必然在原来势阱中留下一减量△ Q 电荷，这份减量电荷叠加到下一个电荷包中，所以电荷包每次转移要引起两份噪声。 这两份噪声 分别于前、后相邻周期的电荷包的转移噪声相关。 (3) 热噪声 热噪声是由于固体中载流子的无规则热运动引起的，在 OK 以上，无论其中有无外加电流通过，都有热噪声，对信号电荷注入及输出影响最大，它相当于电阻热噪声和电容的总宽带噪声之和。 以上 3 种噪声源是独立无关的，所以 CCD得总噪声功率是它们的均方和。 在 CCD图像数据采集过程中，要尽可能的得到精确的 CCD 信号，且最大程度的降低 CCD的噪声，提高信噪 比。 降低噪声的主要方法有 :采用相关双采样 CDS(Correlated Double Sampling)技术、双斜积分 法、小波变换校正法、提高 CCD 工作频率、带通滤波器法、制冷方法等。 本系统采用了基于数字技术的相关双采样方法对噪声进行抑制。 分辨率 分辨率是摄像器件最重要的参数之一，它表明 CCD 成像器件对景物细节的鉴别能力。 通常用每毫米能分辨的线对数表示，即 lp/mm。 有时也用可分辨的最小尺寸表示，它是可分辨的空间频率的倒数。 例如一个 CCD能分辨的最大空间频率为 20lp/mm，则可分辨的最小尺寸为。 分辨率与 CCD 器件的像素尺寸有直接关系，像素尺寸越小，分辨率越高。 通常可分辨的最小尺寸约为像素尺寸的 2 倍。 目前 CCD 的像素尺寸为 6～ 14um，可分辨的最小尺寸为 ～ ，对应的线对数为 85～35lp/。