1 导言
科学级CCD相机（Scientific grade CCD camera）是一种具有低噪声、高灵敏度、大动态规模和高量子功率等优秀功用的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、水下拍摄、武器装备、地理观测、空间对地观测等多种技能范畴得到了广泛运用。
科学级CCD相机一般由高速CCD 感光芯片、视频信号处理器、时序操控器、时序发生器、时序驱动器、外部光学成像体系等部分组成，其间时序发生器功用的好坏直接决议了相机的质量参数。该科学级CCD相机选用DALSA公司的IL-E2 型TDI-CCD作为传感器，本文剖析了IL-E2型TDI-CCD 芯片的作业进程和对驱动信号的要求，在此根底上规划出合理的时序电路， 为了满意在实践作业中像移速度异速匹配的要求，在时序电路的规划中时序发生部分是可调的。这种规划计划简略、牢靠、有用。在归纳比较各种硬件完结电路的优缺点后，选用现场可编程逻辑门阵列（FPGA） 作为硬件规划渠道，运用VHDL 言语对驱动电路计划进行了硬件描绘，选用EDA 软件对所规划的时序发生器成功地进行了功用仿真。终究针对XILINX公司的可编程逻辑器材XC2VP20-FF1152进行了适配和硬件电路调试，然后完结了对整个科学级CCD 相机的操控。
2 TDI-CCD的作业原理及驱动剖析
2.1 TDI-CCD作业原理简介
TDI（time delay and integraTIon）是一种能够添加线扫描传感器灵敏度的扫描技能。TDI-CCD是具有一种面阵结构、线阵输出的新式CCD，较一般的线阵CCD而言，它具有多重级数延时积分的功用。从其结构来看，多个线阵平行摆放，像元在线阵方向和级数方向呈矩形摆放，像元散布示意图如图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。在成像进程中，跟着相机（或景象）的运动，TDI-CCD从第96级至第1级顺次感光，电荷从第96级至第1级逐级累积。终究，经过多重延时积分堆集起来的电荷包（成像数据信息）搬运到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的电功用特色能够看出，TDI-CCD为一种单方向推扫成像器材。与一般CCD比较，TDI凭借了6、12、24、48、96等可变积分级数来添加曝光时刻。在传感器成像时，因为信号存储与曝光时刻是成正比的，TDI-CCD经过延伸曝光时刻来添加所收集到的光子，因而比一般线阵CCD具有更高的灵敏度，可用在低光照度环境下成像，一起又不会影响扫描速度。TDI-CCD具有能够不献身空间分辨率和作业速度的情况下取得高灵敏度这个杰出特色，使其在高速、微光范畴具有广泛的运用远景 。
2.2 关于DALSA IL-E2型TDI-CCD 图画传感器
CCD 图画传感器是科学级CCD相机的要害组成部件， 其功用的好坏直接影响着相机的功用和运用效果。该科学级CCD 相机选用了加拿大DALSA 公司出产的IL-E2型TDI-CCD 图画传感器，该TDI-CCD的像素结构 2048×96 。像元尺度为13μm（ H） ×13μm（ V ）、最高数据输出频率为20MHz 、动态规模为1600:1 、单向、单端输出、级数可选、具有蓝光呼应增强功用的TDI-CCD。IL-E2型TDI-CCD能够分为3个功用区，即光敏元勘探区、电荷传输区、检测输出区。
2.3 IL-E2型TDI-CCD驱动时序剖析
TDI-CCD的驱动时序操控比一般线阵CCD的驱动时序操控要杂乱的多， IL-E2型TDI-CCD的时序操控包含各种直流电平操控和各种时钟脉冲序列操控。关于前者，首要包含供电电压VDD、输出栅电压VEST、溢出栅电压VOV、衬底电压VBB和级数操控偏置电压等；关于后者，首要包含行搬运时钟脉冲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，级数操控时钟脉冲CSS6、CSS12、CSS24、CSS48。TDI-CCD作业时，内行搬运时钟脉冲TCK为高电平期间，像元感光发生的信号电荷在TDI方向移位寄存器驱动时钟脉冲CI1、CI2、CI3、CI4的一起效果下，沿着TDI（TDI级数由TDI级数操控脉冲选为6、12、24、48、96中的一种）方向堆集并搬运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的效果下，输出复位时钟脉冲RST每来一个有用电平高电平时，TDI-CCD的输出信号OS端输出一个信号，直到信号输出完停止。之后TCK由低电平变为高电平，CI1、CI2、CI3、CI4也相应的变为有用电平，搬运上一次搬运完后像元感光发生的信号电荷，开端一个新的周期。这些时序操控的具体对应联系如图2所示。
关于此TDI-CCD时序规划与一般线阵CCD时序规划存在以下几个杰出特色。（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共同，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的堆叠。CI3、CI4在时序联系上分别为CI1、CI2的倒相。（2）此TDI-CCD的作业级数能够经过CSS6、CSS12、CSS24、CSS48四个级数挑选信号进行操控，使其作业于96、48、24、12和6级。
3 时序发生器的原理组成和作业进程剖析
时序发生器发生TDI-CCD、视频处理器和图画数据输出所需的各种时钟脉冲信号， 时序发生器在CCD成像单元作业中起着时刻上同步和谐的效果。它由时序操控器给出的指令和参数予以操控。时序操控器操控TDI-CCD作业时的行搬运周期， 积分级数，操控指令和参数以串行数据的方法送至时序操控器中，时序发生器依据时序操控器给出的指令和数据发生TDI-CCD和视频处理器所需求的时钟脉冲信号： 行搬运时钟脉冲、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、级数操控时钟脉冲、相关双采样时钟脉冲、A/D转换器采样时钟脉冲等。为了进步作业时的牢靠性， 在时序操控器中操控指令和参数没有更新时， 时序发生器将按时序操控器中初始设置参数作业。
时序发生器的规划：时序发生器生成TDI-CCD、视频处理器和图画数据输出所需求的各种时序。一切时序是由主振脉冲序列经过逐级分频后的脉冲序列进行逻辑和组合运算发生的。它们之间满意严厉的相位联系， 这是相机体系和谐作业的根底。时序发生器的功用框图如图3所示。相机体系一通电就应确保当即作业在内部默许方法， 这样就能够立刻判别体系是否正常。假如外部或内部设置指令无效， 体系也回来默许方法， 这是相机体系牢靠性的表现。时序发生器所发生的各种时钟由VHDL 言语完结。
4 用 FPGA器材完结科学级CCD相机时序发生器
4.1 FPGA技能及FPGA器材
FPGA－现场可编程门阵列技能是二十年前呈现，而在近几年快速开展的可编程逻辑器材技能。这种依据EDA技能的芯片正在成为电子体系规划的干流。大规模可编程逻辑器材FPGA是当今运用最广泛的可编程专用集成电路（ASIC）。规划人员使用它能够在办公室或试验室里规划出所需的专用集成电路，然后大大缩短了产品上市时刻，下降了开发本钱。此外，FPGA还具有静态可重复编程和动态在体系重构的特性，使得硬件的功用能够像软件相同经过编程来修正。因而，FPGA技能的运用远景十分宽广。
XC2VP20-FF1152 是Xilinx 公司推出的Virtex-II Pro 系列的FPGA，它内部有丰厚的资源［5］，包含8 个数字时钟管理器（DCM），290Kbits 的散布RAM，88×16kByte 的Block RAM，88 个18×18 的专用乘法器（Dedicated MulTIpliers）单元，2 个PowerPC405 内核，564 个可装备I/O 引脚达（最多276 对差分I/O，速度高达3.125Gbps），最高内部作业频率420MHz。
4.2 依据FPGA的科学级CCD相机时序发生器的规划与仿真
IL-E2型TDI-CCD的像元数有每行512，1024和2048三种，本文以2048像元数为例设计时序电路。2048为有用像元数，因为每行有5个阻隔像元，4个暗参阅像元，故规划中要确保最少使每行输出2057个像元，也便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，其他为空驱动脉冲。空驱动脉冲数越多，行周期时刻越长，CCD曝光积分时刻越长，灵敏度相应进步，但过长的曝光积分时刻会使CCD输出饱满失真，故空驱动脉冲数目不易过多。积分时刻和像元移位读出时钟频率是CCD时序电路的规划依据。在工程运用中，咱们依据技能指标要求，算出行积分时刻即行周期（T）为0.365ms，以此确认适宜的体系主时钟。驱动时序用超高速集成电路硬件描绘言语（VHDL）编写，程序首要包含：（1）调用所需的库函数和程序包；（2）界说输入和输出端口；（3）用计数器对输入的体系主时钟进行分频。（4）驱动时序信号的发生和输出。由XILINX公司的规划软件ISE6.2对XC2VP20-FF1152器材进行时序规划，经过时序仿真与工程运用验证了能完结上述一切功用。体系逻辑功用时序仿真波形如图4所示。
5 结束语
本文的立异是选用FPGA 器材规划科学级CCD相机时序发生器， 使得电路由本来杂乱的规划变成首要只用一片XILINX公司的可编程器件XC2VP20-FF1152来完结。独立的单元测试与体系联调成果均标明： 选用现场可编程门阵列（FPGA） 技能完结CCD相机时序发生器， 可使电路成倍简化，进步了体系的集成度，时序发生器抗干扰才能也增强了，其功耗也成倍下降，然后完结了科学级CCD 相机作业时的高牢靠性、稳定性，一起还使规划与调试周期成倍缩短。该规划计划为TDI-CCD在科学级CCD相机中的运用开辟了愈加宽广的远景。
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