基于TDI-CCD的成像FPGA系统软件设计应用

　　CCD是一种广泛应用于成像系统中的光学传感器，TDI-CCD利用延时积分的方法，通过对同一物体多次曝光，实现增强型光能采集的目的。同时，根据像移补偿的速度，设计TDI-CCD的电荷转移速率，能够实现电子学像移补偿。本文阐述的成像系统以TDI-CCD为核心，利用FPGA实现CCD图像数据整合功能的硬件系统。由于FPGA在资源、速度、效率、稳定性等方面有很多优势，因此，采用FPGA实现高速、大规模、继承性好的成像软件，通过在软件结构、模块和设计方法上的优化，寻求更加合理设计方案，达到功能和性能的提升。本文将FPGA设计的一些指导性原则应用于实际的系统设计中，给出了FPGA自顶向下的软件结构划分，以及程序设计中的注意事项。通过对模块接口信号的解耦处理，增强了系统的适应性和稳定性，该软件系统在实际工程中已进行验证。

　　1 成像系统结构

　　成像系统以TDI-CCD为核心，采用FPGA作为核心数据处理单元，实现数据处理传输，其基本组成部分如图1所示。

　　时序驱动单元采用FPGA产生驱动时序，通过硬件电路实现对CCD控制信号驱动;焦平面单元将CCD视频信号经过预放、滤波、相关双采样(CDS)、A/D转换后输入到图像处理单元;图像处理单元接收控制器指令，完成总体对成像系统的控制，以及图像数据的整合传输等功能;

　　2 成像软件设计

　　成像系统软件采用FPGA实现。软件核心是图像处理单元。该单元接收CCD行同步信号以及指令，完成数据处理功能;

　　成像系统FPGA的主要功能如表1所示。成像系统在物理上分为3个电箱。图像处理电箱独立存在，并接收焦平面电箱的视频信号和控制电箱工作指令，实现数据处理。根据系统逻辑功能划分FPGA软件结构，并将软件设计规范应用其中，优化系统性能。图像处理单元工作频率高，数据处理复杂，不同的结构划分和设计方式对性能影响较大，因此，本文对图像处理软件设计进行详细阐述。

　　2.1 FPGA软件设计分析

　　可编程逻辑设计原则的合理应用，为理解FPGA程序设计，实现高效、稳定的数字系统提供了条件。

　　(1)资源与速率的平衡。资源和速率是FPGA设计的重要指标。通过合理的软件结构划分，在高速数据处理区域采用速度优先方法，即通过模块复用、串/并转换、数据流水化等方法实现高速数据传输;在低速处理区域，采用串行方式和组合逻辑，通过增加扇出实现资源的最优化。

　　(2)系统与硬件匹配。FPGA内部硬件资源决定设计的结构和方法。采用BLOCK RAM或Distributed RAM，根据数据处理内容、资源利用率要求决定使用方式;另外，利用全局信号线，实现全局变量处理;利用FPGA内部IP和原语实现程序设计，改善程序架构。