线阵CCD驱动电路的设计毕业论文.doc

线阵CCD驱动电路的设计摘 要本文论述了线阵CCD驱动电路的工作原理和现状，选择了基于CPLD驱动线阵CCD工作的方案。采用MAX器件的EPM240T100C5N为控制核心，JTAG端口向CPLD中下载程序，以TCD1500C为例，设计了基于CPLD的线阵CCD驱动电路，完成了硬件电路的原理图的设计，编写了SH、RS脉冲的程序，为CCD工作提供了驱动脉冲，并实现了软件调试。通过QUARTUS软件平台对程序的模拟仿真，表明本文研究的基于CPLD的线阵CCD驱动电路能够满足CCD工作所需的驱动脉冲，达到了课题要求。关键词：线阵CCD,复杂可编程逻辑器件,驱动时序,硬件描述语言The Design of Linear CCD Driving CircuitABSTRACTIn this paper, working principle and current application status of the linear CCD driving circuit is introduced. After comparition, CPLD is selected as the driving methodology. EPM240T100C5N of MAXdevices is selected as the control center and JTAG is used as the download program port. With TCD1500C for example, linear CCD driving circuit based on CPLD is designed, the hardware design is finished. The software procedures for the SH, , RS pulses, which provides driving pulses for the operation of CCD and realizes the regulation is developed and debugging. Software simulation based on the QUARTUS platform prooved that this linear CCD driving circuit can meet the driving pulses needed for CCD activities and satisfy the requirements for the subject.KEY WORDS: linear CCD, complex programmable logic device, driving time, hardware description language目 录第一章 绪论11.1 课题的背景、意义11.2 课题的研究内容11.3 国内外的研究状况及发展趋势1第二章 总体方案设计3第三章 硬件设计53.1 线阵CCD驱动电路的工作原理53.1.1 线阵CCD的工作原理53.1.2 TCD1500C的主要特性参数73.1.3 驱动电路的工作原理93.2 CPLD器件的选择103.2.1 可编程逻辑器件的发展历程103.2.2 CPLD与FPGA的比较113.2.3 美国Altera公司简介113.2.4 CPLD器件型号的选择123.3 CPLD的硬件电路的设计133.4 电源设计143.4.1 外接电源的设计143.4.2 DCDC模块的设计153.4.3 稳压模块的电路设计163.5 CCD电路设计173.6 电平转换的电路设计183.7 晶振模块的电路设计193.8 JTAG下载端口的电路设计203.9 其他模块的电路设计21第四章 软件设计224.1 传统描述语言简介224.1.1 硬件描述语言的由来和发展224.1.2 各种硬件描述语言的介绍及特点234.1.3 Verilog HDL语言和VHDL语言的比较234.2 Altera公司Quartus介绍244.2.1 Quartus简介244.2.2 Quartus7.2的特性254.3 软件的总体思路及框架264.4 各模块的程序设计284.4.1 分频模块的程序设计284.4.2 移相模块的程序设计29第五章 课题总结305.1 毕业设计过程总结305.2 Quartus仿真调试305.3 总结31参考文献32致 谢33附录一：原理图34附录二：源程序35第一章 绪论1.1 课题的背景、意义在当今社会，如何实现高精度的运动装置角度和位移测量，一直是系统或设备设计中需要解决的关键技术之一。实现角度和位移测量的常用传感器有编码器、位移传感器和由电位器实现的传感器等，采用这些传感器通常一般都不同程度地存在与被测部件直接接触、由于滑动而带来误差，精度低或动态范围小以及性价比低等问题，因此很多应用场合就难以选择合适的角度或位移传感器1。随着半导体微电子技术的迅猛发展，各种新型器件不断涌现，其中线阵CCD（charge coupled devices）电荷耦合器件因其所具有的高精度、无接触、高可靠等优点，应用也越来越深入、广泛。另一方面，线阵CCD一般不能直接在测量装置中使用，因此，CCD驱动信号的产生及输出信号的处理是设计高精度高可靠和高性价比的线阵CCD驱动模块的关键2。1.2 课题的研究内容本课题研究的线阵CCD驱动电路要求设计的驱动电路能够有提供CCD工作的驱动信号和电平转换的方式，在课题设计过程中，此驱动电路是基于CPLD（复杂可编程逻辑器件）产生驱动CCD工作的功能，同时产生CCD驱动脉冲之间的精确相位关系，并具有较高的频率。除此之外，该驱动电路还应该具有电源、电平转换等功能。根据任务书的要求，本次毕业设计的主要工作是完成线阵CCD驱动电路的硬件电路的设计及软件的编程，并对软件编程的部分的各功能进行仿真。1.3 国内外的研究状况及发展趋势美国是世界上最早开展CCD研究的国家，也是目前投入人力、物力、财力最多的国家，美国是世界上最早开展CCD研究的国家，也是目前投入人力、物力、财力最多的国家，在此应用研究领域一直保持领先的地位。CCD是于1969年由美国贝尔实验室（Bell Labs）的维拉·波义耳(Willard S. Boyle)和乔治·史密斯（George E. Smith）所发明的，贝尔实验室是CCD研究的发源地,并在CCD传感器及电荷信号处理研究方面保持优势。到了70年代，贝尔实验室的研究员已经能用简单的线性装置捕捉影像，CCD就此诞生。40年来，CCD器件及其应用技术的研究取得了惊人的进展，特别是在图像传感和非接触测量领域发展更为迅速。随着CCD技术和理论的不断发展，CCD技术应用的广度与深度必将越来越大。CCD是使用一种高感光度的半导体材料集成，它能够根据照射在其面上的光线产生相应的电荷信号，在通过模数转换器芯片转换成“0”或“1”的数字信号。在CCD传感器和应用电视技术方面，美国高清晰度、特大靶面、低照度、超高动态范围、红外波段等CCD摄像机占有绝对优势。这些产品不仅价格昂贵，而且又受到国家的严格管制。日本是目前世界上CCD的生产大国，在民用消费型光电产品的开发和生产上堪称世界第一位，尤其是CCD摄像机、摄录一体化和广播数字化电视摄录设备，基本上包揽了世界上大部分市场。日本的CCD技术起步较晚，但发展极快，特别是日本的彩色CCD摄像机具有极强的竞争力。1998年日本采用拼接技术开发成功了16,384×12,288像素即（4096×3072）×4像素的CCD图像传感器。由于日本本国的新产品更新换代速度很快，所以无论产品的产量还是质量都占据世界首位。我国的CCD研制工作起步较晚，目前落后日欧美等先进国建10年以上。我国自行研制的第一代普通线阵CCD（光敏元为MOS结构）和第二代对蓝光响应特性好的（光敏元为光电二级管阵列）CCPD已经形成系列产品；除可见光CCD外，国内目前正在研制和开发的CCD有：512×512像素X射线CCD、512×512像素光纤面板耦合CCD像敏器件、512×512像素帧转移可见光CCD、1024×1024像紫外CCD、1024×1024像素X射线CCD、微光CCD和多光谱红外CCD等。第二章 总体方案设计传统的驱动CCD的设计方法有单片机IO口驱动法、EPROM驱动法、直接数字驱动法等，单片机驱动CCD设计方法的基本原理是以单片机的某一个I/O口作为驱动端口，由软件控制驱动脉冲的产生。脉冲产生比较容易，其次，驱动电路的成本低，易于实现，可以通过修改单片机程序改变驱动脉冲及调整积分时间3。但单片机工作的频率较慢导致CCD的工作频率较慢(一般很难超过100kHz)，因此会使信号输出噪声增大，不利于提高信噪比，同时不能应用到要求快速测量的场合4。而可编程逻辑器件CPLD具有了集成度高、速度快、可靠性高及硬件电路易于编程实现等特点可满足这些需要，非常适合CCD驱动电路的设计5，而且我们已经对线阵CCD的驱动电路的一种方式的设计原理进行了比较详细的分析，由上述方案我们可以知道，若将上述的驱动设计方法改为用复杂可编程逻辑器件驱动，这样就可以提高脉冲信号的相位关系的精度，以及提供给CCD驱动的脉冲信号的频率，而且调试容易，灵活性较高6。目前，在工业技术中，大部分都采用了基于CPLD的驱动电路来实现线阵CCD的驱动。系统框图如图2.1所示：CPLD电平转换CCDDCDC模块（28V12V）DCDC模块（28V5V）稳压模块（5V3.3V）总电源图2.1 基于CPLD的线阵CCD的驱动电路该方案有很多优势，首先，克服了以往线阵CCD驱动电路的缺点，例如电路体积较大，设计复杂工作量大、调试困难、容易出错和灵活性较差。其次，驱动电路可以工作在较高频率范围内，速度快、容量大、系统工作稳定，而且抗干扰能力强，软、硬件调试简单。系统的每功能模块完成后可单独方针，不需要外部测试仪器就可以检查修改设计中的问题。电路系统的硬件设计变得像软件设计那样灵活而又易于修改7。利用CPLD芯片驱动线阵CCD工作这种方案减少了以往的驱动电路的电路体积较大，设计复杂，调试困难等缺点，增加了系统的稳定性、可靠性、集成度高和抗干扰能力强。因此，我选择为此次毕业设计的设计方案。第三章 硬件设计第四章 软件设计4.1 传统描述语言简介4.1.1 硬件描述语言的由来和发展参 考 文 献1 应朝龙、周亮、王诚成、陈靓 CCD线阵模块设计与实现J电子测量 技术2009（10）32-102 孟继轲 基于单片机的线阵CCD驱动设计J太原科技大学学报 2007（10）28-63 曾维友，赵江，罗时军，刘国营，基于C51的线阵CCD驱动设计，湖北汽车工业学院学报，2009（3）23-14 万峰，范世福，以C8051F020为核心的CCD驱动与采集系统的设计， 光学精密工程，2005（11）13-增5 古东兵.CCD驱动信号的几种产生方法J.传感器技术，1992（6）：50-526 李强，基于CPLD技术的新型线阵CCD TCD1501C的驱动时序设计与实现，武汉工业学院学报，2007（9）26-37 黄俊杰，王海桥，罗梅林，刘世光，线阵CCD驱动电路的可编程设计与实现，科学技术与工程，2008（11）8-228 王庆有，CCD应用技术M.天津大学出版社，20009 苏波，王纪龙，王云才，线阵CCD驱动电路的研究2002（3）16-110 TOSHIBA公司，CCD linear image sensor CCD(Charge Coupled Device) TCD1500C11 胡安，基于CCD的ICP-AES光谱采集方案的设计与研究，吉林大学硕士学位论文12 刘延飞，郭锁利，王晓戎等，基于Altera FPGA/CPLD的电子系统设计及工程实践，人民邮电出版社，2009（9）13 夏宇闻，Verilog数字系统设计教程，北京航空航天大学出版社，2008.614 Mornsun公司， WRA_CKS-1W&WRB_CKS-1W15 Advanced Monolithic Systems公司， AMS1117 1A low dropout voltage regulator16 TEXAS INSTRUMENTS公司，SN74LVC4245A octal bus transceiver and 3.3-Vto 5-Vshifter with 3-state output 17 王开军，姜宇柏，面向COLD/FPGA的VHDL设计，机械工业出版社，2007（1）致 谢本论文是在XX老师指导下完成的。从选题、课题研究到论文的撰写，都得到了X老师的悉心指导。在完成毕业设计期间，X老师渊博的知识、开放的学术思维、严谨治学的态度和诲人不倦的高尚品德，时刻激励着我不断学习，认真地干好每一项工作，令我从中受益匪浅。在此论文付梓之际，谨向尊敬的赵老师表示深深的感谢与敬意。在本课题研究期间，也得到了其他老师与同学的帮助和指导，在此表示感谢。西安理工大学机仪学院测控专业的王磊、田文佳等同学在我的毕业设计过程中给予了极大的帮助，在此表示衷心的感谢。感谢在百忙之中抽出宝贵时间评审我的论文的各位老师。谢谢!附录一：原理图附录二：源程序module SH1(CLK,RST,RS_OUT,SH,U_N,RS_N); input CLK, RST; output SH; output U_N; output RS_OUT; output RS_N; reg RS; reg RS_REG; reg U_N; reg SH; reg SH_REG; reg 9:0 TIME_CNT; reg 9:0 TIME_CNT_REG; reg 22:0 COUNT; reg 22:0 COUNT_REG; reg 22:0 COUNT_N;