一种新型线阵CCD驱动电路的设计方法

一种新型线阵CCD驱动电路的设计方法［作者：丁忠林刘尧猛张建民转贴自：微计算机信息点击数：328更新时间：2008-10-20【字体：A】designandapplicationofdynamicCCDDrivingCircuitAbstract:inthispaperanewwaytodesignlineararrayCCDdrivingcircuitispresented。inthedesign,PLDisusedtocontroltheCCDoptical-integral-timedynamicallywithoutchangingtheprimaryfrequencyofthesystem.sotheCCDoptical-integral-timecanbechangedwiththeintensityofthebackgroundlamp-housesoastoimprovethesystemprecisionandavoidthesaturationdistortionproblemoftheCCDoutputsignal.Thismethodhasbeenappliedinthestripplesteelsverticalcuttingcentering-systemandbeenprovedtobehighlyeffective.Keyword:lineararrayCCD;dynamiccontrol;CCDoptical-integral-time;drivingsignals;摘要：本文提出了一种新型线阵CCD驱动电路的设计方法。采用该方法，不改变系统工作主频就可以动态控制CCD光积分时间随着光源强度变化而变化，从而提高了系统精度，解决了CCD输出信号因环境影响引起的饱和失真和背景与物体无法分开的问题。此电路用可编程逻辑器件EPM7032C44实现，已将该方法应用于带钢纵切机组自动对中系统中，获得良好的效果。关键词：线阵CCD；动态控制；光积分时间；驱动信号1前言线阵CCD具有体积小、分辨率高、稳定性好、抗干扰性强、测量误差小等特点[1]，被广泛应用于非接触工件尺寸的测量中。线阵CCD应用的关键是驱动信号的产生及输出信号的处理[2]。驱动信号由驱动电路产生，因而在线阵CCD应用中需要着重考虑驱动电路设计。目前常用的有以下三种CCD驱动电路设计方法：（1）直接数字电路驱动法该方法电路的实现复杂，调试困难，使用不便[2]。（2）单片机驱动法该方法单片机输出的驱动信号频率低，速度慢，不适合应用在高速数据采集中[3]。（3）记数分频法该方法是通过改变系统主频或者计数器的初始预置值实现积分时间的改变，灵活性差。系统主频的改变将影响模拟通道的处理，而计数初值的改变会影响驱动波形[3]。以上三种方法均属于静态驱动方法，CCD光积分时间不受背景光强的控制。而在实际应用中，CCD是工作在复杂恶劣的环境中，CCD的输出信号与光的强度和CCD单元的光积分时间成正比。在CCD光积分时间一定的情况下，光的强度过高时，CCD输出信号会出现饱和失真；光的强度过低时，输出信号过低，使得景物与背景模糊，无法分开。本文提出了一种采用动态控制CCD光积分时间的新型线阵CCD驱动电路设计方法，即背景光强时使CCD光积分时间短；背景光弱时，使其积分时间长些，从而使CCD输出信号在正常工作范围内。此外，在基于DSP带钢纵切机组自动对中系统中，采用本方法，利用可编程逻辑器件通过控制CCD的光转移脉冲周期改变光积分时间，从而在系统主频不变的情况下，使CCD驱动信号和输出信号在恶劣的环境中正常工作。2CCD的结构、工作原理及驱动波形2.1CCD的结构电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,简称CCD）是一种新型光电传感器件。它的基本单元是MOS结构，它能存储由光产生的电荷信号，当对它施加特定时序脉冲时，其存储电荷能在CCD内作定向移动而实现自扫描，输出电压信号的大小与CCD单元存储的电荷多少成正比[4]，CCD单元存储电荷多少与光的强度和CCD单元光积分时间成正比。TCD1206UD型线阵CCD结构框如图1所示。它由2236个pn结光电二极管构成光敏元阵列，其中前64个和后12个是用作暗电流检测而被遮蔽的，用符号Dn表示；中间的2160个光电二极管是曝光像敏单元，每个光敏单元的尺寸为14μm长、14μm高、中心距为14μm，用Sn表示。光敏元的两侧是存储其电荷的MOS电容列——存储栅。MOS电容列两侧是转移栅电极SH。转移栅的两侧为CCD模拟移位寄存器，其输出部分由信号输出单元和补偿输出单元构成[4]。2.2CCD工作原理及驱动信号波形CCD只有在一定的驱动脉冲作用下才能正常工作。下面以TCD1206UD为例说明CCD的工作原理，其驱动脉冲波形如图2所示。ФSH是转移脉冲，其作用是将CCD单元存储电荷转移到模拟移位寄存器中。φ1、φ2脉冲的作用是使模拟移位寄存器的电荷信号移动，通过OS输出。ΦR是复位脉冲，复位一次OS输出一个信号。当光照在TCD1206UD上，第一个ФSH脉冲由高变低时，CCD单元存储栅势阱进入光积分状态并产生存储电荷。当第二个ФSH脉冲由低变高时，将CCD单元存储点荷转移到模拟移位寄存器中。CCD的光积分时间是两个ФSH脉冲间隔，存储电荷转移时间是ФSH的脉宽时间。模拟移位寄存器在Φ1与Φ2脉冲的作用下将上次转移到电极下势阱中的电荷信号向左转移，并经过输出电路由OS电极输出。按照其结构的安排，OS端首先输出13个虚设单元信号，再输出51个暗电流信号，然后连续输出S1到S2160有效像素单元信号。第S2160信号输出后，又输出9个暗信号，再输出2个奇偶检测信号，以后便时空驱动。空驱动数目可以是人意的，可利用它来延长光积分时间。由于该器件是两列并行，分奇、偶传输的，所以在一个ФSH周期中至少要有1118个φ1脉冲，即TSH1118T0。如果TSH小于1118T0，那么上次数据没有读完就开始下一次读数，使输出信号产生失真。如果积分时间长，CCD的输出电压幅度就高，会产生输出饱和失真[4]。为了提高系统的检测灵敏度，使CCD的积分时间增长但又不使输出信号失真，有两种方法：（1）利用空驱动数量来增加TSH内的时钟脉冲数[5]。（2）降低输出速率，但这样会影响信号处理电路的参数、频带、信噪比[6]。所以选择第一种方法来增加光积分时间比较好，这样可以动态调节光积分时间。因此，本文采用了在系统时钟频率不变的情况下，光积分时间根据CCD工作环境的背景光源强度的变化通过改变空驱动脉冲数量达到动态控制CCD的目的。3动态控制CCD光积分时间电路的设计由于CCD的镜头会受到灰尘和背景光的强度影响，会使CCD输出信号失真，增大检测误差，为了解决此问题采用动态控制CCD光积分时间的新型线阵CCD驱动电路，即背景光强时，使其积分时间短；背景光弱时，使其积分时间长，从而使输出信号在正常工作范围内。其逻辑电路如图3所示。该电路设计了CCD正常工作脉冲ФSH、φ1、φ2、φR，并可动态地调整光积分时间。为了保证各个脉冲同步工作，采用统一主频时钟T0。φ1、φ2是由主频时钟二分频和一个非门得到。φR是通过主频时钟经逻辑电路产生。而转移脉冲φSH则通过计数器产生，其工作原理是当基本计数器计到2236后，产生计数满信号，使光积分延时预置计数器计数，预置初值确定空驱动数目，其取值范围为1～4095。当光积分延时预置计数器计满时，清除基本计数器进行下一次计数,并产生转移脉冲φSH。光积分延时预置计数器计数预置初值是由微处理器根据采集电荷信号来检测光的强弱通过接口电路自动设置。该电路可以通过微处理器动态控制CCD光积分时间，以提高检测精度。此电路能够达到的最小光积分时间为2236T0，最大光积分时间为2236T0+4096T0。动态控制CCD光积分时间电路用可编程逻辑器件EPM7032C44实现的，以下是用VerilogDHL设计此驱动电路的程序moduleDrive(φSH,φ1,φ2,φR,Data,T0);inputT0;input[11:0]Data;outputφSH,φ1,φ2,φR;regφ1,φ2,φR;regφSH,Clr,Start_signal,Signal_del;reg[11:0]Data_reg,Base_count;reg[8:0]Sh_count;parametern=2236;always@(posedgeT0)beginφ1=~φ1;φ2=~φ1;endalways@(T0)φR=T0;always@(posedgeT0)beginif(Base_count==n)beginsignal_del=1;Base_count=Base_count+1;Start_signal=1;endelseif(Base_countn+2)Base_count=n+3;elsebeginsignal_del=0;Base_count=Base_count+1;endif(Clr)beginBase_count=0;Start_signal=0;endendalways@(posedgeT0)beginif(signal_del)Data_reg=Data;if(Start_signal)beginif(Data_reg==4095)beginClr=1;endelseData_reg=Data_reg+1;endif(Clr)beginif(Sh_count==500)beginSh_count=0;Clr=0;endelseSh_count=Sh_count+1;endendalways@(Clr)beginif(Clr)φSH=1;elseφSH=0;endendmodule4动态CCD驱动电路的应用线阵CCD常常工作在恶劣的环境中，背景光源的变化会产生CCD的检测误差加大，降低了系统的检测精度，系统采用动态控制CCD光积分时间驱动电路可解决此问题，提高系统的精度。动态CCD驱动电路应用系统框图如图-4所示，系统的工作原理：线阵CCD采集的信号通过抗干扰电路和A/D转换、存储并送给微处理器，微处理器对这些数据进行处理，确定光积分延时计数预值并传输给动态CCD驱动电路，动态CCD驱动电路产生CCD驱动信号来驱动CCD工作。5结束语本文在系统工作频率不变的情况下，可通过微处理器根据对采集到的CCD数据处理计算出光积分延时预值，用可编程逻辑器件实现对CCD光积分时间的动态控制，为CCD的驱动电路提出了新的设计方法，此此方法提高系统的检测精度，解决了CCD的环境干扰问题。该驱动电路在实时线材检测系统以及其它CCD应用系统中有广阔的应用前景。参考文献：[1]苏波．线阵CCD驱动电路研究[J]．山西师范大学学报，2003，（3）：13-18.[2]卢阳，陈向东．基于CPLD的TDI/CCD图像传感器驱动时序设计[J]．微计算机信息，2006，6-2，227-229[3]谷东兵．CCD驱动信号的几种产生办法[J]．传感器技术，1992，（6）：5-8.[4]王庆友．CCD应用技术[M]．天津：天津大学出版社，2002,47-49.[5]焦斌亮．具有积分控制功能的CCD驱动电路设计[J]．光学仪器，2005，27（3）：51-54.[6]虞益挺．一种新型CCD驱动电路设计方法[J]．传感器技术学报，2005，18（2）：388-390.天津市科技发展计划项目资助（04310951R）教育部科学技术研究重点项目资助(02012)作者简介：丁忠林（1973-），男，安徽明光市人，天津科技大学计算机科学与信息学院助教，硕士，研究方向是计算机数据通信。通信方式：天津科技大学计算机科学与信息学院邮编300222E-MAIL：[e-mail]本文作者创新点是通过微处理器根据对采集到的CCD数据处理，使用CPLD实现CCD光积分时间的动态控制，解决了CCD的环境干扰问题，提高系统的检测精度。