本實(shí)用新型涉及一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器。

背景技術(shù)：

高質(zhì)量的圖像在天文探測(cè)、遙測(cè)遙感、航空航天等科學(xué)研究領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，因此，為了獲取高品質(zhì)圖像，CCD相機(jī)充當(dāng)起了至關(guān)重要的角色。目前的CCD相機(jī)為了降低讀出噪聲、提高整體性能，讀出速率普遍較低，幀頻往往不超過(guò)1fps，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足某些高幀頻應(yīng)用的需求。采用雙通道輸出的方式可以在一定程度上提高CCD輸出頻率，但是相應(yīng)的CCD成像系統(tǒng)的控制時(shí)序也更加復(fù)雜，現(xiàn)有的CCD時(shí)序控制方法大多難以滿(mǎn)足需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的CCD時(shí)序控制方法難以滿(mǎn)足高幀頻CCD成像系統(tǒng)控制需求的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提供一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是：一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時(shí)序發(fā)生器，其特殊之處在于：包括外部時(shí)鐘、主狀態(tài)機(jī)、子狀態(tài)機(jī)和計(jì)數(shù)器；

所述外部時(shí)鐘與主狀態(tài)機(jī)相連；

所述子狀態(tài)機(jī)包括曝光控制狀態(tài)機(jī)、幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)、行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)、像元讀出控制狀態(tài)機(jī)；所述曝光控制狀態(tài)機(jī)一端與主狀態(tài)機(jī)相連，曝光控制狀態(tài)機(jī)的另一端與幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)相連；所述幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)與像元讀出控制狀態(tài)機(jī)相連；所述像元讀出控制狀態(tài)機(jī)分別與行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)和主狀態(tài)機(jī)相連；

所述計(jì)數(shù)器包括分別與各子狀態(tài)機(jī)相對(duì)應(yīng)的曝光計(jì)數(shù)器、幀轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器、行轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器和像元讀出計(jì)數(shù)器。

本實(shí)用新型還提供一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)系統(tǒng)上電，復(fù)位信號(hào)觸發(fā)主狀態(tài)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)；

2)外部時(shí)鐘產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，通過(guò)主狀態(tài)機(jī)發(fā)送至曝光控制狀態(tài)機(jī)；

3)同步脈沖信號(hào)觸發(fā)曝光控制狀態(tài)機(jī)，打開(kāi)電子快門(mén)開(kāi)始曝光，同時(shí)曝光計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)曝光計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到曝光時(shí)間設(shè)定值后，曝光控制狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生曝光結(jié)束標(biāo)識(shí)信號(hào)并發(fā)送至幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)；曝光控制狀態(tài)機(jī)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)；

4)曝光結(jié)束標(biāo)識(shí)信號(hào)觸發(fā)幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行幀轉(zhuǎn)操作，同時(shí)幀轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)幀轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到幀轉(zhuǎn)設(shè)定值后，幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)信號(hào)并發(fā)送至像元讀出控制狀態(tài)機(jī)；幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)；

5)幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)信號(hào)觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行空讀操作，同時(shí)像元讀出計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)像元讀出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到像元讀出設(shè)定值后，像元讀出控制狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生空讀完成標(biāo)識(shí)信號(hào)并發(fā)送至行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)；像元讀出控制狀態(tài)機(jī)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)；

6)空讀完成標(biāo)識(shí)信號(hào)觸發(fā)行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行行轉(zhuǎn)操作，同時(shí)行轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)行轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到行轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)定值后，行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生行轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)信號(hào)并發(fā)送至像元讀出控制狀態(tài)機(jī)；行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機(jī)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)；

7)行轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)信號(hào)觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)機(jī)，進(jìn)行像元讀出操作，同時(shí)像元讀出計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)；當(dāng)像元讀出計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到像元讀出設(shè)定值后，完成像元讀出，像元讀出控制狀態(tài)機(jī)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)；

8)重復(fù)執(zhí)行步驟3-7)，直至完成全部模擬圖像的輸出。

較佳的，外部時(shí)鐘產(chǎn)生的同步脈沖信號(hào)是寬度為1ms的20Hz同步脈沖信號(hào)。

步驟4)中進(jìn)行的幀轉(zhuǎn)操作是產(chǎn)生固定周期為720KHz、交疊2/3正程的時(shí)鐘將圖像區(qū)的圖像轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)區(qū)。

步驟4)中的幀轉(zhuǎn)設(shè)定值為1030。

步驟5)中的像元讀出設(shè)定值為256。

步驟6)中的行轉(zhuǎn)時(shí)間設(shè)定值為105Tp。

本實(shí)用新型的有益效果在于：本實(shí)用新型提供的時(shí)序發(fā)生器及時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法適用于雙通道高幀頻科學(xué)級(jí)CCD成像系統(tǒng)，可以滿(mǎn)足具有一定相位關(guān)系的復(fù)雜邏輯時(shí)序信號(hào)驅(qū)動(dòng)，提高CCD成像系統(tǒng)的可靠性。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型時(shí)序發(fā)生器產(chǎn)生的具體時(shí)序示意圖。

圖2為本實(shí)用新型時(shí)序發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本實(shí)用新型時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法的時(shí)序流程圖。

圖4為本實(shí)用新型時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法產(chǎn)生的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)仿真波形。

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例中選用FTT1010-M作為CCD成像傳感器，F(xiàn)TT1010-M屬幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD，參見(jiàn)圖1，其正常工作需要的時(shí)序驅(qū)動(dòng)信號(hào)包括：4路幀轉(zhuǎn)移信號(hào)A1、A2、A3、A4，4路行轉(zhuǎn)移信號(hào)B1、B2、B3、B4，3路像元讀出信號(hào)C1、C2、C3以及復(fù)位信號(hào)RG和像元合并信號(hào)SG。該CCD成像傳感器工作在左右雙路輸出模式，為了防止左右路信號(hào)互相干擾，設(shè)計(jì)上將讀出時(shí)鐘信號(hào)的C1信號(hào)分為C1X和C1W，C2信號(hào)分為C2X和C2W，分別去驅(qū)動(dòng)CCD讀出，這樣，驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)總共有15路。

FTT1010-M工作所需的具體時(shí)序如圖2所示，其工作過(guò)程可大體分為4個(gè)階段：(1)曝光階段，電子快門(mén)打開(kāi)，CCD進(jìn)行光積分，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成空間分布的電荷包信號(hào)；(2)電荷包信號(hào)轉(zhuǎn)移，電荷包信號(hào)依次從圖像區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)區(qū)；(3)電荷包信號(hào)輸出，電荷包信號(hào)依次從存儲(chǔ)區(qū)經(jīng)放大器輸出；(4)空閑，CCD完成圖像信號(hào)輸出后等待拍攝下一幀圖像。此外，CCD外圍還需要有大量的電壓偏置來(lái)配合這4個(gè)步驟才能保證其正常工作。

由圖2中可以看出，CCD的時(shí)序由FPGA產(chǎn)生，將外部提供的時(shí)鐘進(jìn)行分頻，并按照手冊(cè)產(chǎn)生相應(yīng)曝光、幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移和讀出時(shí)序信號(hào)，這些時(shí)序信號(hào)通過(guò)垂直、水平驅(qū)動(dòng)電路送給CCD，驅(qū)動(dòng)其工作；同時(shí)，F(xiàn)PGA還要根據(jù)需要產(chǎn)生相應(yīng)的偏置電壓控制信號(hào)，經(jīng)偏壓切換電路送給CCD，滿(mǎn)足其對(duì)各種電壓的需要。

整個(gè)時(shí)序框圖中，CCD時(shí)序的設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本實(shí)用新型采用了一個(gè)主狀態(tài)機(jī)來(lái)控制，如圖3所示。然后再對(duì)不同的子功能設(shè)計(jì)下一級(jí)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終完成所有的功能。

具體的時(shí)序設(shè)計(jì)如下：當(dāng)FPGA上電穩(wěn)定后，系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)Reset觸發(fā)主狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，因?yàn)橄鄼C(jī)的幀頻為固定20f/s，首先，在FPGA內(nèi)利用時(shí)鐘分頻功能產(chǎn)生一個(gè)寬度為1us的20Hz同步脈沖信號(hào)，用于同步整個(gè)成像過(guò)程。為了精準(zhǔn)控制各過(guò)程，系統(tǒng)內(nèi)分別定義了曝光計(jì)數(shù)器Inter_cnt、幀轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器F_cnt、行轉(zhuǎn)計(jì)數(shù)器L_cnt和像元讀出計(jì)數(shù)器P_cnt。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)20Hz脈沖到來(lái)時(shí)，觸發(fā)曝光控制狀態(tài)，打開(kāi)電子快門(mén)，電子快門(mén)的持續(xù)時(shí)間設(shè)定為15us，同時(shí)Inter_cnt開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)Inter_cnt的值等于設(shè)定的曝光時(shí)間時(shí)，表明曝光完成，狀態(tài)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)曝光結(jié)束標(biāo)識(shí)信號(hào)，用于觸發(fā)幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)，同時(shí)曝光控制狀態(tài)會(huì)繼續(xù)等待下一個(gè)20Hz同步信號(hào)的到來(lái)，再按照新的曝光時(shí)間重復(fù)以上過(guò)程。

幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)收到觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始進(jìn)行幀轉(zhuǎn)操作，F(xiàn)_cnt開(kāi)始計(jì)數(shù)。幀轉(zhuǎn)操作主要是產(chǎn)生固定周期為720KHz、交疊2/3正程的時(shí)鐘將圖像區(qū)的圖像轉(zhuǎn)到存儲(chǔ)區(qū)，每轉(zhuǎn)移一行F_cnt數(shù)值加1，當(dāng)F_cnt等于1030時(shí)，表示將圖像區(qū)的所有圖像轉(zhuǎn)移完畢，這時(shí)狀態(tài)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識(shí)來(lái)觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)，同時(shí)，幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)會(huì)空閑，直到下一次幀轉(zhuǎn)觸發(fā)的到來(lái)。

為了盡可能減少干擾信號(hào)對(duì)本幀圖像的影響，幀轉(zhuǎn)完成后，本實(shí)用新型沒(méi)有直接去行轉(zhuǎn)，而是先空讀2行，當(dāng)像元讀出狀態(tài)收到觸發(fā)信號(hào)后，P_cnt開(kāi)始計(jì)數(shù)，每讀一個(gè)像元P_cnt數(shù)值加1，因?yàn)楸緦?shí)用新型的CCD成像系統(tǒng)工作在雙路Binning模式，當(dāng)P_cnt等于256時(shí)說(shuō)明像元已經(jīng)讀干凈，這時(shí)如果空讀完成則觸發(fā)行轉(zhuǎn)狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，待105Tp時(shí)間后再次空讀一次。

行轉(zhuǎn)狀態(tài)收到觸發(fā)后，L_cnt開(kāi)始計(jì)數(shù)，行轉(zhuǎn)的時(shí)間為105Tp，L_cnt在70MHz時(shí)鐘域數(shù)值累加直到其值等于105Tp時(shí)，觸發(fā)像元讀出狀態(tài)去讀像元。

重復(fù)以上過(guò)程，CCD就可以源源不斷輸出模擬圖像，期間可以根據(jù)成像需要通過(guò)RS422改變相機(jī)的曝光時(shí)間，以適應(yīng)多變的成像環(huán)境。系統(tǒng)的時(shí)序仿真波形如圖4所示，對(duì)照CCD手冊(cè)可知，本實(shí)用新型提供的時(shí)序發(fā)生器及時(shí)序驅(qū)動(dòng)方法完全滿(mǎn)足要求。