隨著半導體微電子技術的迅猛發(fā)展，如何實現(xiàn)高精度的運動裝置角度和位移測量，一直是系統(tǒng)或設備設計中需要解決的關鍵技術之一。如今，各種新型器件不斷涌現(xiàn)，其中線陣CCD( Charge Coupled Devices) 電荷耦合器件因其所具有的高精度、無接觸、高可靠性等優(yōu)點，應用越來越廣泛。本文介紹了采用MAXⅡ器件的EPM240T100C5N 為控制，以TCD1500C為例，設計了基CPLD的線陣CCD驅動電路，完成了硬件電路的原理圖的設計，并實現(xiàn)了軟件調試。
1.總體方案設計
線陣CCD一般不能直接在測量裝置中使用，因此CCD驅動信號的產生及輸出信號的處理是設計高精度、高可靠性和高性價比線陣CCD驅動模塊的關鍵。傳統(tǒng)驅動CCD的設計方法使CCD的工作頻率較慢，信號輸出噪聲增大，不利于提高信噪比，不能應用于要求快速測量的場合。而用可編程邏輯器件CPLD進行驅動，則可提高脈沖信號相位關系的精度，以及提供給CCD驅動脈沖信號的頻率，而且調試容易、靈活性高。目前，在工業(yè)技術中，多采用基于CPLD的驅動電路實現(xiàn)線陣CCD的驅動。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 CCD驅動電路
2.硬件設計
2.1CPLD的硬件電路的設計
以CPLD( Complex Programmable Logic Device) 器件為，設計線陣CCD的驅動電路。然后在其基礎上擴展，選擇其他元器件，設計出與其相配套的電路部分，經調試后組成硬件系統(tǒng)。CPLD的電路由5 部分組成，有源晶振向EPM240T100C5N 的U1A 的IO/GCLK0口輸入時鐘脈沖CLK0，提供了CPLD工作的時鐘脈沖，因為時序邏輯的需要。U1C從JTAG端口中程序，U1B的52、54、56、58口輸出脈沖信號。U1D管腳接3. 3V 電壓，U1E管腳接地。電路原理如圖2 所示。
圖2 CPLD電路原理圖
2.2DC/DC模塊的設計
為得到CPLD所需的電壓，外接電源需要經過DC/DC模塊進行轉換。為進一步減少輸出紋波，可在輸入輸出端連接一個LC濾波網絡，電路原理如圖3所示。
圖3 DC/DC模塊電路原理圖
2.3穩(wěn)壓模塊的電路設計
由DC/DC模塊轉換的直流電壓，經過一個R11電阻和一個發(fā)光二極管接地，發(fā)光二極管指示燈，然后從AMS芯片的Vin端輸入，進入到芯片的內部，經過一系列的計算，從Vout輸出3.3V電壓，GND端端口接地。為消除交流電的紋波，電路采用電容濾波，分別用0.1μF的極性電容和10μF的非極性電容組成一個電容濾波網絡。電路原理如圖4所示。
圖4 穩(wěn)壓模塊電路原理
2.4CCD電路設計
CCD電路采用TCD1500C，它是一個高靈敏度、低暗流、5340像元的線陣圖像傳感器。其像敏單元大小是7μm×7μm×7μm,相鄰像元中心距7μm，像元總長37.38mm。該傳感器可用于傳真、圖像掃描和OCR.TCD1500C的測量精度和分辨率都很高，并且只需4路驅動信號：SH、φ、RS、SP。電路原理如圖5所示。
圖5 CCD模塊電路原理圖
2.5電平轉換的電路設計
由于CPLD輸出的驅動脈沖電壓為3.3V，而CCD工作所需的驅動脈沖為5V，所以需要在CPLD和CCD之間加入一個電平轉換電路。電路原理如圖6所示。
圖6 電平轉換的電路原理圖
3.軟件設計
系統(tǒng)軟件采用Verilog HDL 硬件描述語言，按照模塊化的思路設計，將要完成的任務分成為多個模塊，每個模塊由一個或多個子函數(shù)完成。這樣能使設計思路清晰、移植性強，在調試軟件時容易發(fā)現(xiàn)和改正錯誤，降低了軟件調試的難度。程序中盡量減少子函數(shù)之間的相互嵌套調用，這樣可以減少任務之間的等待時間，提高系統(tǒng)處理任務的能力。主程序如圖7所示。
圖7 主程序流程圖
SH是一個光積分信號，SH信號的相鄰兩個脈沖之間的時間間隔代表了積分時間的長短。光積分時間為5416個RS周期，對系統(tǒng)時鐘進行光積分的分頻，實現(xiàn)了SH信號脈沖。在光積分階段，SH為低電平，它使存儲柵和模擬移位寄存器隔離，不會發(fā)生電荷轉移。時鐘脈沖φ為典型值0.5MHz時，占空比為50%，占空比是指高電平在一個周期內所占的時間比率。它是SH信號和占空比為50%的一個0.5MHz的脈沖信號疊加，所以0.5MHz的信號和SH信號通過一個或門，就可以實現(xiàn)φ信號;輸出復位脈沖RS為1MHz，占空比1∶3.此外，RS信號和SH、φ信號有一定的相位關系，通過一個移位寄存器移相，來實現(xiàn)RS脈沖信號。
4.仿真實驗
系統(tǒng)時鐘周期部分設置為1ns,正常工作時復位信號RS為高電平，然后對RS、φ、SH信號進行仿真，結果如圖8所示。
圖8 QuartusⅡ仿真效果圖
結論
以上就是基于CPLD的線陣CCD驅動電路設計介紹了。本設計主要是以CPLD為驅動中心，減少了以往驅動電路的電路體積大、設計復雜、調試困難等缺點，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性，集成度高且抗干擾能力強。通過對硬件和軟件大量的模擬實驗表明，文中所設計的線陣CCD驅動脈沖信號能夠滿足CCD工作所需的基本功能，達到了設計要求。
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