【正文】 A 工具對 FPGA 進行配置下載。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 90 年代，國際上在電子和計算機技術(shù)方面較先進的國家，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、工具等方面進行了徹底的變革，并取得了巨大成功。EDA 是電子設(shè)計自動化(Electronic Design Automation)的縮寫，在 20 世紀 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。目前，EDA 技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)計領(lǐng)域的基本手段，涵蓋印制電路板(PCB)設(shè)計、可編程邏輯器件開發(fā)、專用集成芯片設(shè)計以及系統(tǒng)驗證等諸多領(lǐng)域。 　 　 Protel DXP 2021 已 不 是 單 純 的 PCB（ 印 制 電 路 板 ） 設(shè) 計 工 具 ， 而 是 由 多 個模 塊 組 成 的 系 統(tǒng) 工 具 ， 分 別 是 SCH（ 原 理 圖 ） 設(shè) 計 、 SCH（ 原 理 圖 ） 仿 真 、PCB（ 印 制 電 路 板 ） 設(shè) 計 、 Auto Router（ 自 動 布 線 器 ） 和 FPGA 設(shè) 計 等 ， 覆 蓋了 以 PCB 為 核 心 的 整 個 物 理 設(shè) 計 。Quartus II 開發(fā)系統(tǒng)具有強大的處理能力和高度的靈活性，它的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下方面：與結(jié)構(gòu)無關(guān)：Quartus II 系統(tǒng)的編譯程序，支持 Altera 全部系列的 PLD 產(chǎn)品，提供與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計開發(fā)環(huán)境，具有強大的邏輯綜合與優(yōu)化功能。在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了國際上通用的 VHDL 語言對某些具有特定功能的邏輯模塊進行設(shè)計。7第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)主要完成的任務(wù)是將采集到的圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中處理，這一過程需要完善的硬件平臺作為保障才能將大量數(shù)據(jù)實時無誤的傳輸。F P G AE P 1 C 3A F EV S P 5 0 1 0電源配置電路 I O 接口電壓轉(zhuǎn)換7 4 L V C 1 6 2 4 5晶振C C DT C D 1 5 0 1 D圖 31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 CCD 硬件設(shè)計 CCD 工作原理 CCD 是基于金屬 —氧化物 —半導體技術(shù)的光電轉(zhuǎn)換器件，它是由很多光敏像元組成的，即在 P 型( 或 N 型)硅襯底的表面用氧化方法形成一層厚度約 的二氧化硅層，再在二氧化硅上蒸鍍一層金屬膜，并用光刻的方法制成柵狀電極。經(jīng)過一定時刻后，各電極上的電壓發(fā)生變化，電荷包向右移動。N 個電荷包依次沿著 CCD 串行傳輸，每驅(qū)動一個周期，各信號電荷包向輸出端方向轉(zhuǎn)移一位，第一個驅(qū)動周期輸出第一個光敏元信號電荷包。暗電流CCD 成像器件在既無光注入又無電注入情況下的輸出信號稱暗信號，即暗電流。靈敏度指在一定光譜范圍內(nèi)單位曝光量的輸出信號電壓(電流)。例如，CCD 對藍光的響應(yīng)是比較差的，這是因為在多晶硅中藍光被吸收的比較厲害，以及在多晶硅—氧化物—硅等層中引起的多層干涉的結(jié)果。(1) 散粒噪聲在 CCD 中，無論是光注入、電注入還是熱產(chǎn)生的信號電荷包的電子數(shù)總有一定的不確定性，也就是圍繞平均值上下變化，形成噪聲。累積性是指轉(zhuǎn)移噪聲是在轉(zhuǎn)移過程中逐次累積起來的，與轉(zhuǎn)移次數(shù)成正比。以上 3 種噪聲源是獨立無關(guān)的，所以 CCD 得總噪聲功率是它們的均方和。分辨率分辨率是攝像器件最重要的參數(shù)之一，它表明 CCD 成像器件對景物細節(jié)的鑒別能力。分辨率與 CCD 器件的像素尺寸有直接關(guān)系，像素尺寸越小，分辨率越高。為了保證CCD 圖像傳感器正確穩(wěn)定的工作并充分發(fā)揮它的光電轉(zhuǎn)換功能，必須設(shè)計出能夠產(chǎn)生符合 CCD 器件工作所需時序的驅(qū)動控制電路。 表 31 TCD1501D 引腳說明 圖 33 TCD1501D 管腳圖 圖 34 所示為 TCD1501D 原理結(jié)構(gòu)圖，由圖可知， TCD1501D 由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器及信號輸出單元組成。光譜響應(yīng)范圍從 400nm 到 1100nm，峰值對應(yīng)的波長為 550nm。其工作方式如表 所示。由于 74LVC16245 可以同時驅(qū)動兩片 TCD1501D，所以這里設(shè)計了兩個接口 P1 和P2。AFE 的作用就是將 CCD 輸出的模擬圖像信號箝位和放大到 A/D 轉(zhuǎn)換器所需要的電平。這樣的方案由于采用了單芯片設(shè)計方案，系統(tǒng)將具有更好的可靠性、穩(wěn)定性。VSP5010 可以工作在三種模式下，對 CCD 信號、模擬視頻信號和普通的交14流信號進行 A/D 轉(zhuǎn)。主要包含直流重建、相關(guān)雙采樣、輸入箝位、可編程增益放大器（DPGA） 、黑電平箝位、A/D 轉(zhuǎn)換器等模塊。因此，CCD 的輸出信號往往不能直接加到后續(xù)放大器的輸入端。由于 CCD 每個像元的輸出信號中既包含有光敏信號，也包含有復位脈沖電壓信號，若在光電信號的積分開始時刻和積分結(jié)束時刻，分別對輸出信號采樣（在一個信號輸出周期內(nèi)，產(chǎn)生兩個采樣脈沖，分別采樣輸出信號的兩個電平，即一次是對復位電平進行采樣，另一次是對信號電平進行采樣） ，并且使得兩次采樣時間之間的間隔遠小于時間常數(shù) RC（R 為復位管的導通電阻） ，這樣兩次采樣的噪聲電壓相差無幾，兩次采樣的時間又是相關(guān)的。與其它模擬前端芯片的結(jié)構(gòu)不同，VSP5010 在 CCD 信號進入芯片后就去除了這個偏移電平，這樣做有兩個好處：其一是減小對芯片采集通道中的黑電平箝位模塊的影響，其二是確保 DPGA 有更大的電壓放大的空間。它的工作原理是：首先，通過對相應(yīng)寄存器配置，獲得需要的箝位電平，可調(diào)范圍為 0～510 LSB；然后，在信號的消隱期，ADC 的輸出電壓與用戶通過寄存器配置的黑電平向比較；最后，比較后的信號通過濾波降低噪聲，將修正的信號通過 DAC 重新輸入 ADC。VSP5010 的硬件電路設(shè)計如下圖 39 所示。Cyclone FPGA 支持各種單端 I/O 標準如 LVTTL、LVCMOS、PCI 和 SSTL2/3，通過 LVDS 和 RSDS 標準提供多達 129 個通道的差分 I/O 支持。這些業(yè)界最高效架構(gòu)特性的組合使得 FPGA 系列成為ASIC 最靈活和最合算的替代方案。EP1C3TQ144C8 除表 33 所示的特點外，其它特性如下：內(nèi)核工作電壓為 ；片上的鎖相環(huán)電路可以提供輸入時鐘的 1～32 分頻或倍頻、156～417ps 移相或可變占空比的時鐘輸出，輸出時鐘信號的特性可直接在開發(fā)軟件里設(shè)定。EPCS 系列配置器件專供 AS 模式，如 EPCS1，EPCS4 。20R10K2VIO3456789JASMPT DE_CLNFnGUB圖 310 FPGA 配置電路本系統(tǒng)采用 AS+JTAG 方式。單面板一面有敷銅，另一面沒有敷銅，用戶只可在有敷銅的一面放置元器件和進行布線。在雙面板上進行設(shè)計相對比較容易，而且成本較低，因此用雙面板制作電路是比較理想的選擇。元器件封裝包括電子元器件的外形尺寸以及焊盤的位置，這是元器件被焊接到電路板上時的重要參考。焊盤的作用是連接元器件引腳和導線。當遇到需要在元器件引腳之間進行布線的情況時，將焊盤設(shè)計成橢圓形或扁圓形往往事半功倍。從俯視角度觀察過孔，包含兩個尺寸，即通孔直徑和過孔直徑。此外，膜(Mask) 在 PCB 制作過程中也是必不可少的，根據(jù)其所起的作用，可分為助焊膜和阻焊膜。信號完整性問題主要包括反射、振鈴、信號過沖以及信號之間的串擾等?？梢圆捎孟冗M的 EDA 工具進行仿真來解決信號的反射、串擾問題。常用的布線拓撲方法有樹狀法、菊鏈法、星狀法和回路法。下沖是指下一個谷值或峰值，過分的下沖可能會引起錯誤的數(shù)據(jù)操作。振鈴主要是由傳輸線上過度的寄生電感和電容引起接收端與源端阻抗失配造成的。由于地彈與引線電感、負載電容成正比，所以應(yīng)盡量減小分布電感量，采用輸入電容小的器件以避免讓某個邏輯門驅(qū)動太多的負載。在電路設(shè)計中，信號完整性問題是一個復雜的問題，往往有許多難以預料的因素會影響整個系統(tǒng)的性能。本設(shè)計的原則是盡量縮小電路板的面積，節(jié)約成本，而將信號完整性分析放在次要位置。經(jīng)過老師指導，布局時應(yīng)該分塊布局，于是把板子分為電源、配置接口、CCD 接口、VSP50擴展接口及按鍵等幾個部分。檢查后發(fā)現(xiàn)是 FPGA 芯片引腳間距小于布線規(guī)則里設(shè)定的 10mil 安全間距，改為 7mil就解決了。后來老師指出去耦電容應(yīng)該放在 FPGA 的供電電源引腳和地之間，并該就近安放。21122 112121212121212212121 2121 21 212121212121212134214 3214 3212348765 18327987675473621605998976 10912134156178192021132415261728193013213415361738194014213480148568789091293495 10102130415061708721706986765438576545325104984764543241039837365343231029827625423212021817615413210987654321122 12 121212121212121212 12181 23 45 679 1081 23 45 679 102 121212121202118174321 56 78 910 112 1314 1516 12 34 56 78 91012 34 56 78 9101 2 323202117614312986532144825746434103873653230292765494815107 218121 21 21 21 2121212 12 12 12 1212121212121212122121 1221122112圖 312 布線效果圖修改后的 PCB 已滿足設(shè)計要求，但在老師指導下再次對電路進行了優(yōu)化。圖 313 為最終版的未覆銅的 PCB 效果圖。其次焊接的是 EP1CVSP5074LVC16245，及其去耦電容，上拉電阻等。全部焊接完成后的系統(tǒng)板如26圖 314 和圖 315 所示。圖 316 測試方案原理圖首先通過 altpll0 模塊對 50MHz 的時鐘進行 2 倍頻，如果倍頻成功，就說明FPGA 的 PLL 工作正常。最后為了測試 74LVC16245，試將計數(shù)器的 q[11]～q[16]作為 CCD 驅(qū)動信號送到 74LVC16245 的輸入端。（2）用示波器測試 74LVC16245 的輸出，得到了穩(wěn)定的方波，頻率與q[11]～q[16]相符。下面分別介紹 CCD 驅(qū)動、VSP5010 配置、雙口 RAM 緩沖器以及采控主模塊的程序設(shè)計。這樣就完成了一幀信號的完整輸出，按照 TCD1501D 的典型驅(qū)動脈沖頻率 1M 來算，至少需要 。在滿足 TCD1501D 工作脈沖的前提下,確定各29路脈沖參數(shù)如下:RS ,CP ,SP 的占空比為 1:7 ,Φ1E ,Φ2E為占空比 1:1 的方波,由于TCD1501D 在正常工作時有 76 個啞像元輸出,因此,在一個 SH 積分周期內(nèi)至少應(yīng)該包含 5076 個復位脈沖。CP 脈沖可通過 D 觸發(fā)器將 RS 延時獲得 ,由于 RS 和 CP 脈沖的延時要大于等于 0 ns ,故采用兩個 D 觸發(fā)器延時 2 個 CLK 脈沖可得到 CP 波形。然后定義一個 6 位的計數(shù)器 P2，在 P2 小于等于 3 時，Φ1E 為低電平，當計數(shù)器 P2 大于 3 小于等于 19 時，Φ1E 為高電平，接著當計數(shù)器 P2 大于 19 小于等于 27 時，Φ1E 為低電平，計數(shù)器大于 27 小于 35 時，Φ1E為高電平，在計數(shù)器 P2 等于 35 時，計數(shù)器 P2 跳轉(zhuǎn)到 20，形成一個頻率為 的占空比 1:1 的方波。圖 TCD1501D 驅(qū)動仿真時序圖從圖中可以看出 rs、cp 、sp 間的延時大于 0，在 sh 為高電平期間，ff2 保持不變，驅(qū)動設(shè)計完全滿足 TCD1501D 時序要求。傳輸過程并無校驗或地址位回讀來確保有效的寄存器被寫入，如果地址碼為無效，則對應(yīng)的數(shù)據(jù)將被丟棄。內(nèi)部寄存器說明如表 所示。黑電平箝位 OB clamp level EVEN 和ODD 統(tǒng)一設(shè)置為 160LSB。圖 VSP5010 配置時序仿真 雙口 RAM 模塊設(shè)計 雙口 RAM 模塊主要完成的是根據(jù)地址發(fā)生計數(shù)器產(chǎn)生雙口 RAM 的地址信號，將 AFE 轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送到 FPGA 的內(nèi)部雙口 RAM 中緩存，然后通過傳輸接口送到33PC 機中 。圖 RAM 定制 采控主模塊設(shè)計設(shè)計好以上各個模塊后，作為一個系統(tǒng)，還要設(shè)計一個采控主模塊，負責協(xié)調(diào)控制各個分模