電荷耦合器件(Charge Coupled Devices，簡稱CCD)是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器。它利用光電轉(zhuǎn)換原理將圖像信息直接轉(zhuǎn)換成電信號，實現(xiàn)非電量測量。由于CCD的輸出信號是負(fù)極性的離散模擬信號，并且混雜有幅度較大的復(fù)位脈沖干擾，為了獲得高質(zhì)量信號，必須對CCD輸出信號進(jìn)行直流箝位、相關(guān)雙采樣、低通濾波和放大等預(yù)處理，以消除各種干擾和噪聲。同時，為了便于計算機(jī)處理和大容量存儲，還必須對CCD輸出信號進(jìn)行數(shù)字化處理。目前市場上CCD專用的視頻信號處理器件不僅具有雙采樣技術(shù)，而且還具有自動暗電平補(bǔ)償、自動增益和A／D轉(zhuǎn)換等功能。這里給出了一款CCD專用的視頻信號處理器件XRD44L60，并介紹了基于VHDL 的XRD44L60CPLD邏輯控制電路。
2 XRD44L60簡介
XRD44L60是Exar公司CCD專用的視頻信號處理器件。該器件是針對CCD影像應(yīng)用產(chǎn)品而設(shè)計的。XRD44L60采用相關(guān)雙采樣 (Correlated Double Sampling，簡稱CDS)技術(shù)提取圖像信息，可編程增益(Programmable Gain Amplifier，簡稱PGA)控制范圍可達(dá)6 dB+38 dB，具有良好的輸人信號箝位和CDS輸入偏移校正性能，并提供暗電平箝位，給出準(zhǔn)確的暗電平參考。XRD44L60還有一個10位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速率高達(dá)16 MHz，便于CCD陣列信號的數(shù)字處理。此外，XRD4-4L60的串行接口包括一個10位的移位寄存器和多個并行寄存器，可用于編程設(shè)置其工作參數(shù)。 XRD44L60的電源電壓為3.0 V，功率為120 mW，適用于小型化嵌入式CCD數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)。
3系統(tǒng)電路設(shè)計
XRD44L60硬件電路設(shè)計如圖1所示。其中，In_Pos和In_Neg為模擬信號輸入端口，用于連接CCD的輸出信號。CLAMP，SHD，SHP 及RSTCCD為時鐘信號控制引腳，用于連接CPLD信號的輸出端，以控制器件工作。LOAD，SDI，SCLK為串行接口可編程設(shè)置XRD44L60的工作參數(shù)。DB0～DB9為10位數(shù)字信號輸出，可與信號處理單元連接。
4 XRD44L60的時序控制
采用可編程邏輯器件(CPLD)技術(shù)和VHDL語言實現(xiàn)對CCD視頻信號處理器件XRD44L60的控制，使其完成CCD視頻信號的放大、噪聲處理及數(shù)字化，并輸出對應(yīng)的數(shù)字信號。XRD44L60的工作時序需要根據(jù)具體的CCD器件來確定。下面以TCD1501D型CCD為例，介紹XRD44L60的工作時序。TCD1501D的工作頻率為1 MHz，CCD輸出信號周期為2μs，其外部時鐘輸入由有源晶體振蕩器提供，頻率為8 MHz。當(dāng)CLK_POL為低電平時，XRD44L60的時序如圖2所示。驅(qū)動脈沖包括CCD復(fù)位脈沖RSTCCD、相關(guān)雙采樣暗電平時鐘SHP、相關(guān)雙采樣信號電平時鐘SHD、相關(guān)雙采樣箝位控制脈沖CLAMP。
4.1 RSTCCD脈沖的產(chǎn)生
由圖2可知，RSTCCD的周期為2μs，占空比為1：7。因此，可對輸入時鐘脈沖16分頻，其高電平占2個周期的時鐘脈沖；低電平占14個周期的時鐘脈沖。當(dāng)計數(shù)器計數(shù)到15時，計數(shù)器清零，重新計數(shù)，相關(guān)程序源代碼如下：
4.2 SHD和SHP脈沖的產(chǎn)生
由圖2判斷出，SHD和SHP的周期均為2μs，占空比為1：1。因此，可采用上述方法獲得這兩個脈沖。
4.3 CLAMP脈沖的產(chǎn)生
CLAMP脈沖由CCD的輸出決定，即當(dāng)CCD的輸出信號為像元信號時，CLAMP為高電平；當(dāng)CCD的輸出信號為暗像元信號時，CLAMP為低電平。
5驅(qū)動脈沖仿真波形
該沒計采用QuartusⅡ仿真軟件進(jìn)行仿真。仿真波形如圖3所示。其中，CLK和CCD為輸入信號；CLAMP，SHD，SHP及RSTCCD為XRD44L60的驅(qū)動信號。
6 結(jié)語
基于VHDL的XRD44L60邏輯控制電路能夠產(chǎn)生滿足系統(tǒng)要求的驅(qū)動脈沖，整個系統(tǒng)設(shè)計能夠達(dá)到預(yù)期效果。將VHDL應(yīng)用于XRD44L60時序電路設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計更簡單、靈活、可靠，因此可廣泛用于使用CCD的影像產(chǎn)品中。