【正文】 .........................................................................9 CCD 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) ............................................................................11 AFE 電路設(shè)計(jì) ...............................................................................................14 AFE 功能分析 ....................................................................................14 VSP5010 簡(jiǎn)介 ....................................................................................14 FPGA 硬件電路設(shè)計(jì) .....................................................................................18 Cyclone 系列 FPGA 簡(jiǎn)介 ..................................................................18 JTAG 口及 AS 模式接口 ...................................................................19 PCB 板的設(shè)計(jì) ...............................................................................................20教學(xué)系意見(jiàn)：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(jì)常識(shí) ....................................................................................20 PCB 具體設(shè)計(jì) ....................................................................................22 系統(tǒng)硬件的焊接和測(cè)試 ................................................................................25第四章 FPGA 設(shè)計(jì) ......................................................................................................28 FPGA 設(shè)計(jì)方案 .............................................................................................28 TCD1501D 驅(qū)動(dòng)時(shí)序模塊設(shè)計(jì) ....................................................................28 VSP5010 配置接口模塊設(shè)計(jì) ........................................................................30 雙口 RAM 模塊設(shè)計(jì) .....................................................................................32 采控主模塊設(shè)計(jì) ............................................................................................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(jiǎn)稱(chēng) CCD）是一種光電轉(zhuǎn)換式圖像傳感器，它是由美國(guó)貝爾(Bell) 實(shí)驗(yàn)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(hào)，將待測(cè)物入射到CCD 光敏面上的光強(qiáng)分布信息轉(zhuǎn)換成電荷量信號(hào)，按指定時(shí)序一路或多路串行輸出，電荷量信號(hào)經(jīng)必要的調(diào)理電路和處理軟件處理再現(xiàn)原待測(cè)物的信息，從而實(shí)現(xiàn)了非電量的電測(cè)量。同時(shí)它還具有體積小、重量輕、噪聲低、自掃描、工作速度快、測(cè)量精度高、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，自其被發(fā)明的四十年來(lái)，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(lèi)，如圖 11和圖 12 所示。對(duì)于面陣 CCD 來(lái)說(shuō)，應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、位置等的測(cè)量。面陣 CCD 的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀。缺點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)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(gè)面陣 CCD 的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測(cè)量對(duì)視場(chǎng)的需求。線陣 CCD 的優(yōu)點(diǎn)是分辨力高，價(jià)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(zhǎng)度 35 mm，可滿足大多數(shù)測(cè)量視場(chǎng)的要求，但要用線陣 CCD 獲取二維圖像，必須配以掃描運(yùn)動(dòng)，而且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測(cè)件上的對(duì)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(lái)，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(shí)間長(zhǎng)，測(cè)量效率低；由于掃描運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)精度的影響而降低，最終影響測(cè)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(duì)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(lái)越高的要求。在 CCD 應(yīng)用技術(shù)中，現(xiàn)代化測(cè)試技術(shù)和科學(xué)研究對(duì) 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(hào)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(jiǎn)單，已不能很好地滿足一些特殊要求，尤其在高速動(dòng)態(tài)目標(biāo)的識(shí)別和實(shí)時(shí)快速檢測(cè)方面存在著 CCD 信號(hào)數(shù)據(jù)處理時(shí)間限制系統(tǒng)測(cè)量速度的瓶頸。因此，構(gòu)建高速線陣 CCD 圖像系統(tǒng)對(duì)被測(cè)圖像信息進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)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(duì)于高速CCD圖像采集系統(tǒng)而言，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和CCD輸出信號(hào)的采集處理是關(guān)鍵。早期的CCD驅(qū)動(dòng)電路幾乎全部是由普通數(shù)字電路芯片實(shí)現(xiàn)的,需要焊接很多電子元件,導(dǎo)致整個(gè)電路體積較大、設(shè)計(jì)復(fù)雜且過(guò)于偏重于硬件的實(shí)現(xiàn)。其主要缺點(diǎn)是工作量大、調(diào)試?yán)щy、容易出錯(cuò)和靈活性較差,特別是當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路工作在較高頻率時(shí),干擾問(wèn)題嚴(yán)重,系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。目前有些驅(qū)動(dòng)電路使用了單片機(jī)技術(shù)，但其功能簡(jiǎn)單，靈活性、擴(kuò)展性和實(shí)用性依然較差。而且要求開(kāi)發(fā)者能熟練運(yùn)用單片機(jī)，對(duì)匯編、C語(yǔ)言也要有相當(dāng)了解，開(kāi)發(fā)難度較高，不利于CCD器件的進(jìn)一步推廣?；?FPGA 設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路是可編程的，與傳統(tǒng)的方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是集成度高、速度快、可靠性好。如要改變驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序，增加某些功能，僅需要對(duì)器件重新編程即可，在不改變?nèi)魏斡布那闆r下，即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(dòng) CCD 的同時(shí)，控制西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3ADC 器件來(lái)采集和處理 CCD 圖像傳感器的信號(hào)，并通過(guò)內(nèi)部緩存圖像信息、傳輸?shù)缴衔粰C(jī)做進(jìn)一步的處理，從而實(shí)現(xiàn) CCD 驅(qū)動(dòng)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(lái)有以下幾點(diǎn):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(lái)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(shí)鐘脈沖變化太快將會(huì)導(dǎo)致所采集的光信號(hào)電荷無(wú)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(cè)等技術(shù)中。隨著國(guó)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(lái)越大。新型器件結(jié)構(gòu)為了提高 CCD 圖像傳感器的性能，擴(kuò)大適用范圍，人們不斷地研究新的器件結(jié)信號(hào)的采集、處理方法，賦予 CCD 圖像傳感器更強(qiáng)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(lè)觀。拼接技術(shù)線陣 CCD 端到端拼接起來(lái)可得到極長(zhǎng)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(duì)軍事應(yīng)用、天文觀測(cè)、光譜分析等是特別有用的。尤其在對(duì)陸地和海洋的監(jiān)測(cè)、偵察和地球資源勘察等方面都是十分有價(jià)值的。 本論文的主要內(nèi)容本論文的主要內(nèi)容是實(shí)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(shí)現(xiàn)，通過(guò)傳輸接口，在 PC 機(jī)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(jì)。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(jì)(1) 線陣 CCD 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。(2) 模擬前端處理器（ AFE）配置電路設(shè)計(jì)。(3) 系統(tǒng) PCB 板設(shè)計(jì)?；?FPGA 的邏輯電路設(shè)計(jì)利用 VHDL 語(yǔ)言完成線陣 CCD 的驅(qū)動(dòng)時(shí)序模塊、模擬前端處理器（AFE ）配置時(shí)序模塊、內(nèi)部緩存 RAM 模塊以及總體控制模塊的設(shè)計(jì)。在以上硬件和軟件設(shè)計(jì)完成并仿真通過(guò)后，利用 EDA 工具對(duì) FPGA 進(jìn)行配置下載。硬件調(diào)試完成后，對(duì)整個(gè)圖像采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)物聯(lián)機(jī)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(jì) 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(dòng) CCD 將被測(cè)對(duì)象的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成模擬圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò) AFE 處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)緩存于 RAM 中，最后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)膫鬏斀涌诎巡杉瘓D像數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)中處理。照明系統(tǒng)被測(cè)對(duì)象模擬前端處理線陣C C D緩存器計(jì)算機(jī)傳輸接口邏輯控制圖 21 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具20 世紀(jì) 90 年代，國(guó)際上在電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面較先進(jìn)的國(guó)家，一直在積極探索新的電子電路設(shè)計(jì)方法，并在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)帶來(lái)了極大的靈活性。這些器件可以通過(guò)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(jì)可以如同軟件設(shè)計(jì)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(jì)方法、設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)觀念，促進(jìn)了 EDA 技術(shù)的迅速發(fā)展。EDA 是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation)的縮寫(xiě)，在 20 世紀(jì) 90 年代初從計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試(CAT)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE) 的概念發(fā)展而來(lái)的。EDA 技術(shù)就是以計(jì)算機(jī)為工具