【正文】 .........................................................................9 CCD 驅(qū)動電路設(shè)計 ............................................................................11 AFE 電路設(shè)計 ...............................................................................................14 AFE 功能分析 ....................................................................................14 VSP5010 簡介 ....................................................................................14 FPGA 硬件電路設(shè)計 .....................................................................................18 Cyclone 系列 FPGA 簡介 ..................................................................18 JTAG 口及 AS 模式接口 ...................................................................19 PCB 板的設(shè)計 ...............................................................................................20教學(xué)系意見：系主任： （簽名）年 月 日 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 IV PCB 設(shè)計常識 ....................................................................................20 PCB 具體設(shè)計 ....................................................................................22 系統(tǒng)硬件的焊接和測試 ................................................................................25第四章 FPGA 設(shè)計 ......................................................................................................28 FPGA 設(shè)計方案 .............................................................................................28 TCD1501D 驅(qū)動時序模塊設(shè)計 ....................................................................28 VSP5010 配置接口模塊設(shè)計 ........................................................................30 雙口 RAM 模塊設(shè)計 .....................................................................................32 采控主模塊設(shè)計 ............................................................................................33結(jié) 論 .........................................................................................................................34致 謝 .........................................................................................................................35參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................36附 錄 .........................................................................................................................37西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第 1 章 緒論 論文的研究背景及意義電荷耦合器件（Charge Couple Device，簡稱 CCD）是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它是由美國貝爾(Bell) 實驗室的 和 在 1969 年秋發(fā)明的。CCD 利用光電轉(zhuǎn)換原理把圖像信息直接轉(zhuǎn)換成電信號，將待測物入射到CCD 光敏面上的光強分布信息轉(zhuǎn)換成電荷量信號，按指定時序一路或多路串行輸出，電荷量信號經(jīng)必要的調(diào)理電路和處理軟件處理再現(xiàn)原待測物的信息，從而實現(xiàn)了非電量的電測量。同時它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測量精度高、壽命長等諸多優(yōu)點，自其被發(fā)明的四十年來，受到人們的高度重視，CCD 現(xiàn)在已經(jīng)成為光學(xué)圖像獲取的主要器件。CCD 器件按其感光單元的排列方式分為線陣 CCD 和面陣 CCD 兩類，如圖 11和圖 12 所示。對于面陣 CCD 來說，應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、位置等的測量。面陣 CCD 的優(yōu)點是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制，而線陣 CCD 的優(yōu)點是一維像元數(shù)可以做得很多，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動態(tài)目標(biāo)的測量。圖 11 面陣型 CCD 圖片西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文2圖 12 線陣型 CCD 圖片　　由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個面陣 CCD 的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測量對視場的需求。線陣 CCD 的優(yōu)點是分辨力高，價格低廉，如 TCD1501D 型線陣 CCD，光敏像元數(shù)目為 5 000，像元尺寸為 7um7um7um (相鄰像元中心距 ),該線陣 CCD 一維成像長度 35 mm，可滿足大多數(shù)測量視場的要求，但要用線陣 CCD 獲取二維圖像，必須配以掃描運動，而且為了能確定圖像每一像素點在被測件上的對應(yīng)位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣 CCD 每一掃描行的坐標(biāo)。一般看來，這兩方面的要求導(dǎo)致用線陣 CCD 獲取圖像有以下不足：圖像獲取時間長，測量效率低；由于掃描運動及相應(yīng)的位置反饋環(huán)節(jié)的存在，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和成本；圖像精度可能受掃描運動精度的影響而降低，最終影響測量精度。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，人們對數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的主要指標(biāo)，如采樣速度、分辨率、精度以及抗干擾能力等方面，都提出了越來越高的要求。在 CCD 應(yīng)用技術(shù)中，現(xiàn)代化測試技術(shù)和科學(xué)研究對 CCD 圖像采集系統(tǒng)的要求日益提高，隨著高速高性能數(shù)字信號處理器的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的 CCD 圖像采集系統(tǒng)速度慢、處理功能簡單，已不能很好地滿足一些特殊要求，尤其在高速動態(tài)目標(biāo)的識別和實時快速檢測方面存在著 CCD 信號數(shù)據(jù)處理時間限制系統(tǒng)測量速度的瓶頸。因此，構(gòu)建高速線陣 CCD 圖像系統(tǒng)對被測圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲及數(shù)據(jù)處理，是線陣 CCD 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展的新方向。 對于高速CCD圖像采集系統(tǒng)而言，驅(qū)動電路的設(shè)計和CCD輸出信號的采集處理是關(guān)鍵。早期的CCD驅(qū)動電路幾乎全部是由普通數(shù)字電路芯片實現(xiàn)的,需要焊接很多電子元件,導(dǎo)致整個電路體積較大、設(shè)計復(fù)雜且過于偏重于硬件的實現(xiàn)。其主要缺點是工作量大、調(diào)試?yán)щy、容易出錯和靈活性較差,特別是當(dāng)驅(qū)動電路工作在較高頻率時,干擾問題嚴(yán)重,系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。目前有些驅(qū)動電路使用了單片機技術(shù)，但其功能簡單，靈活性、擴展性和實用性依然較差。而且要求開發(fā)者能熟練運用單片機，對匯編、C語言也要有相當(dāng)了解，開發(fā)難度較高，不利于CCD器件的進(jìn)一步推廣。基于 FPGA 設(shè)計的驅(qū)動電路是可編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點是集成度高、速度快、可靠性好。如要改變驅(qū)動電路的時序，增加某些功能，僅需要對器件重新編程即可，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，即可實現(xiàn)驅(qū)動電路的更新?lián)Q代。利用 FPGA 豐富的 I/O 引腳和內(nèi)部邏輯資源，還可以在驅(qū)動 CCD 的同時，控制西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3ADC 器件來采集和處理 CCD 圖像傳感器的信號，并通過內(nèi)部緩存圖像信息、傳輸?shù)缴衔粰C做進(jìn)一步的處理，從而實現(xiàn) CCD 驅(qū)動和圖像采集的一體化控制。 CCD 器件應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀目前，CCD 圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀歸納起來有以下幾點:高分辨率隨著超大規(guī)模微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，CCD 光敏元密度得到不斷的提高，器件分辨率越來越高。高速化隨著 CCD 像元數(shù)不斷增加，其工作頻率也需相應(yīng)提高。但如果時鐘脈沖變化太快將會導(dǎo)致所采集的光信號電荷無法進(jìn)行轉(zhuǎn)移，因此電荷轉(zhuǎn)移速度成為 CCD 提高工作頻率的瓶頸。微型化超小型面陣 CCD 尺寸小，卻具有相當(dāng)高的分辨率，因此被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療內(nèi)窺、盲孔檢測等技術(shù)中。隨著國防科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)工程的發(fā)展，超小型 CCD 像感器的需來越大。新型器件結(jié)構(gòu)為了提高 CCD 圖像傳感器的性能，擴大適用范圍，人們不斷地研究新的器件結(jié)信號的采集、處理方法，賦予 CCD 圖像傳感器更強的功能。在器件結(jié)構(gòu)方面，最引人注目的有幀內(nèi)線轉(zhuǎn)移 CCD(FITCCD)，亞電子噪聲 CCD（NSE CCD） 。此外，隨著VLSIMOS 工藝的日益完善，MOS 光電二極管陣列的發(fā)展前景也十分樂觀。拼接技術(shù)線陣 CCD 端到端拼接起來可得到極長的陣列和極高的分辨率。拼接技術(shù)可根據(jù)應(yīng)用需要靈活選擇拼接器件和拼接規(guī)模，這對軍事應(yīng)用、天文觀測、光譜分析等是特別有用的。尤其在對陸地和海洋的監(jiān)測、偵察和地球資源勘察等方面都是十分有價值的。 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容是實現(xiàn)以線陣 CCD 器件 TCD1501D 為圖像傳感器的圖像采集系統(tǒng)，以 FPGA 芯片為主控制處理器，負(fù)責(zé)方案確定以及軟硬件功能的具體實現(xiàn)，通過傳輸接口，在 PC 機上顯示采集到的圖像信息。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文4論文內(nèi)容具體包括：圖像采集系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。包括：系統(tǒng)模塊的劃分以及系統(tǒng)解決方案確定。圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(1) 線陣 CCD 驅(qū)動電路設(shè)計。(2) 模擬前端處理器（ AFE）配置電路設(shè)計。(3) 系統(tǒng) PCB 板設(shè)計?；?FPGA 的邏輯電路設(shè)計利用 VHDL 語言完成線陣 CCD 的驅(qū)動時序模塊、模擬前端處理器（AFE ）配置時序模塊、內(nèi)部緩存 RAM 模塊以及總體控制模塊的設(shè)計。在以上硬件和軟件設(shè)計完成并仿真通過后，利用 EDA 工具對 FPGA 進(jìn)行配置下載。硬件調(diào)試完成后，對整個圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行實物聯(lián)機調(diào)試。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文5第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)主要由照明系統(tǒng)、線陣 CCD 圖像傳感器、模擬前端處理器電路、數(shù)據(jù)緩存器及傳輸接口等組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖 21 所示。系統(tǒng)的主要功能是驅(qū)動 CCD 將被測對象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成模擬圖像信號，經(jīng)過 AFE 處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號緩存于 RAM 中，最后經(jīng)過適當(dāng)?shù)膫鬏斀涌诎巡杉瘓D像數(shù)據(jù)送入計算機中處理。照明系統(tǒng)被測對象模擬前端處理線陣C C D緩存器計算機傳輸接口邏輯控制圖 21 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)開發(fā)工具20 世紀(jì) 90 年代，國際上在電子和計算機技術(shù)方面較先進(jìn)的國家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計方法，并在設(shè)計方法、工具等方面進(jìn)行了徹底的變革，并取得了巨大成功。在電子技術(shù)設(shè)計領(lǐng)域，可編程邏輯器件(如 CPLD、FPGA)的應(yīng)用，已得到廣泛的普及，這些器件為數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計帶來了極大的靈活性。這些器件可以通過軟件編程而能夠?qū)ζ溆布Y(jié)構(gòu)和工作方式進(jìn)行重構(gòu)，從而使得硬件的設(shè)計可以如同軟件設(shè)計那樣方便快捷。這一切極大地改變了傳統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法、設(shè)計過程和設(shè)計觀念，促進(jìn)了 EDA 技術(shù)的迅速發(fā)展。EDA 是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，在 20 世紀(jì) 90 年代初從計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機輔助測試(CAT)和計算機輔助工程(CAE) 的概念發(fā)展而來的。EDA 技術(shù)就是以計算機為工具