基于FPGA大面阵数字CCD相机驱动电路的设计

    0 引 言

    数字大面阵 CCD 相机作为高性能的图像传感器具有动态范围宽、噪声低、灵敏度高等模拟 CCD 的各种优点，同时兼有大面阵和空间分辨率高、抗干扰能力强等特性，长线传输没有信号损失，有利于远距离信号传输。可广泛应用于遥感成像，环境恶劣的电厂、矿山的工业检测等领域。

    本系统采用的 ICX285AL 作为图像传感器，该芯片具有可变电子快门，即使无机械快门，也能实现高分辨率全帧图像转移；具有较低的暗电流与极好的抗Blooming 特征。其驱动信号多样、复杂，且需要多种电压的驱动，好的硬件电路是其工作的基础[1]，高精度的驱动时序的设计成为其输出稳定、可靠的视频信号的关键。

    1 大面阵 CCD 相机的组成

    系统主要由 CCD、驱动器、CCD 信号处理器、数据转换器、时序发生器、时序驱动器等部分组成。大面阵 CCD 相机的结构框图如图 1 所示。

    图 1 电路的工作原理为：由大规模可编程器件FPGA 构成系统时序发生器[2]，经时序驱动器控制CCD工作，CCD 把扫描到的被测物的光信号转换成电信号输出，经过缓冲、信号处理、数据转换输出数字图像。

    2 CCD 驱动时序信号分析

    系统采用 SONY 公司 ICX285AL 作为图像传感器[3]，ICX285AL 是一款 1.69 cm（2/3 in）、隔行转移固态面阵 CCD，感光区域总像素为 1 434 H×1 050 V，有效像元数为：1 360 H×1 024 V；非有效像素作为视频黑电平，为后续信号处理提供参考电平。

    ICX285AL 要正常工作需要 8 路驱动脉冲和 5 路直流偏置电平，垂直驱动脉冲 VΦ1、VΦ2A、VΦ2B、VΦ3VΦ4，水平驱动脉冲 H、H，复位脉冲ΦRG；读出时钟偏置电平、垂直和水平转移时钟偏值电平、复位偏置电平、底层时钟偏置电平。

    模拟前端用于处理图像传感器输出的模拟信号并将其转换成数字信号[4]，一般要对信号进行箝位、放大及 A/D 转换等。系统采用 CCD 专用信号处理芯片 AD9945 来完成对 ICX285AL 输出信号的处理。AD9945 是一款专门用于 CCD 信号处理的芯片。该芯片具有相关双采样（CDS）、可编程增益放大器、12 位 A/D 转换器和串行接口设置功能，最大转换速率可达 40 MHz。

    AD9945 的正常工作需要 8 个控制信号，包括控制串行数据的 3 个信号 SL、SCK、SDATA，用于相关双采样的两个信号 SHP、SHD，数据输出缓冲时钟ADCLK，预消隐信号 PBLK，光学黑箝位脉冲 CLPOB。其相关双采样及数字输出的时序如图 3 所示。