【導(dǎo)讀】基于FPGA的高速驅(qū)動(dòng)采集一體化控制板。該控制板選用了Altera公司的Cyclone系。式將采集數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)以便進(jìn)行后期處理。該控制板將CCD的驅(qū)動(dòng)脈沖產(chǎn)生和圖。圖像數(shù)據(jù)采集速率和質(zhì)量，并具有靈活性強(qiáng)，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。

　　

【正文】 件封裝的命名標(biāo)準(zhǔn)一般為元器件類(lèi)型加上焊盤(pán)距離 或者焊盤(pán)數(shù)，通?？梢愿鶕?jù)元器件封裝編號(hào)來(lái)判斷元器件的相關(guān)參數(shù)。如 表示此元器件為軸狀封裝，兩焊盤(pán)間的距離 為 400mil； DIP16 表示該元器件為雙列直插式，引腳數(shù)為 16 個(gè)； QFP64 表示該器件為四周扁平貼片式，引腳數(shù)為 64 個(gè)。 焊盤(pán)的作用是連接元器件引腳和導(dǎo)線。焊盤(pán)是 PCB 設(shè)計(jì)中最重要的概念之一，也是我們最常接觸的。選擇元器件的焊盤(pán)類(lèi)型要綜合考慮該元器件的外觀、布置形式以及受熱情況、受力方向等因素。例如，對(duì)發(fā)熱量較大且受力的焊盤(pán)，可將其設(shè)計(jì)成“淚滴狀” 。 當(dāng)遇到需要在元器件引腳之間進(jìn)行布線的情況時(shí)，將焊盤(pán)設(shè)計(jì)成橢圓形或扁圓形往往事半功倍。自行設(shè)計(jì)的元器件焊盤(pán)孔的大小要參照元器件引腳粗細(xì)進(jìn)行確定，基本原則是焊盤(pán)孔 的尺寸較元器件引腳直徑大 左右。 為連通 PCB 板各層之間的電路，在需要連通的導(dǎo)線交匯處鉆上一個(gè)公共孔，這就是過(guò)孔。過(guò)孔一般分為三種，即從頂層貫通到底層的穿透式過(guò)孔、從頂層通到內(nèi)層西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 21 或從內(nèi)層通到底層的盲過(guò)孔以及內(nèi)層間的隱藏過(guò)孔。從俯視角度觀察過(guò)孔，包含兩個(gè)尺寸，即通孔直徑和過(guò)孔直徑。通孔和過(guò)孔間的孔壁，采用與導(dǎo)線相同的材料構(gòu)成，連接位于不同板層的電路。一般情況下，設(shè)計(jì)電路時(shí)盡量少用過(guò)孔，一旦選用就務(wù)必處理好它與周邊各實(shí)體的間隙。此外，所承擔(dān)的載流量越大，過(guò)孔尺寸就越大，如電源層或地層與其他層連接時(shí)所用的 過(guò)孔就要大一些。 此外，膜 (Mask)在 PCB 制作過(guò)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。助焊膜涂于焊盤(pán)上，可提高焊接性能，通常在電路板上觀察到的比焊盤(pán)略大的淺色圓圈就是助焊膜。阻焊膜則正好相反，為了阻止電路板上非焊盤(pán)處的銅箔粘錫，焊盤(pán)以外的各部分都要涂敷阻焊膜。 在繪制 PCB 電路板的過(guò)程中需要考慮許多方面的問(wèn)題，信號(hào)完整性問(wèn)題更是重中之重。信號(hào)完整性問(wèn)題主要包括反射、振鈴、信號(hào)過(guò)沖以及信號(hào)之間的串?dāng)_等。良好的信號(hào)質(zhì)量是提供穩(wěn)定時(shí)序的基礎(chǔ)，信號(hào)完整性問(wèn)題導(dǎo)致的信號(hào)質(zhì)量變差很可能帶來(lái)時(shí)序 的偏移和紊亂，從而導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作。差的信號(hào)完整性不是由某個(gè)單一因素引起的，而是由電路設(shè)計(jì)中多種因素共同導(dǎo)致的，因此，信號(hào)完整性分析就成了進(jìn)行 PCB 板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)、分析的基礎(chǔ)。 信號(hào)完整性問(wèn)題一般是由電路板設(shè)計(jì)中的走線、 PCB 板材和阻抗匹配等導(dǎo)致的?？梢圆捎孟冗M(jìn)的 EDA 工具進(jìn)行仿真來(lái)解決信號(hào)的反射、串?dāng)_問(wèn)題。通過(guò)選擇正確的布線策略和終端匹配方式，可以得到理想的信號(hào)波形。 反射是源端與負(fù)載端阻抗不匹配導(dǎo)致的，負(fù)載會(huì)將一部分電壓反射回源端。在PCB 布線過(guò)程中，可以預(yù)先選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)改善反射現(xiàn)象，這種 方法通常不需要增加額外的電子器件。常用的布線拓?fù)浞椒ㄓ袠?shù)狀法、菊鏈法、星狀法和回路法。相比較而言，菊鏈法是比較好的布線法，適合于地址或者數(shù)據(jù)總線以及并聯(lián)終端的布線，基本上沒(méi)有分支旁路。此外，為了減輕反射，還可以選擇降低系統(tǒng)頻率以便在下一個(gè)信號(hào)加載到傳輸線上之前達(dá)到反射穩(wěn)態(tài)，但對(duì)于高速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，在總線頻率達(dá)到一定閡值之后，反射在一個(gè)周期內(nèi)無(wú)法達(dá)到穩(wěn)態(tài)，所以這種方法在高速系統(tǒng)中不太實(shí)際。 過(guò)沖是首個(gè)信號(hào)峰值或谷值超過(guò)設(shè)定電壓值，較強(qiáng)的過(guò)沖會(huì)導(dǎo)致保護(hù)二級(jí)管過(guò)早失效。下沖是指下一個(gè)谷值或峰值，過(guò)分的下沖可能會(huì)引起錯(cuò) 誤的數(shù)據(jù)操作。過(guò)沖與下沖是由走線過(guò)長(zhǎng)和信號(hào)變化太快兩方面原因?qū)е碌?。盡管大多數(shù)元件在接收端都有輸入二極管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，但有時(shí)過(guò)沖和下沖電平會(huì)在瞬間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)元件可承受的電西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 22 壓范圍，從而損壞元器件。 振鈴表現(xiàn)為信號(hào)反復(fù)出現(xiàn)過(guò)沖和下沖，在邏輯電平的門(mén)限上下抖動(dòng)，震蕩成欠阻尼狀態(tài)。振鈴主要是由傳輸線上過(guò)度的寄生電感和電容引起接收端與源端阻抗失配造成的。同反射一樣，可通過(guò)適當(dāng)?shù)亩私舆M(jìn)行抑制。 芯片內(nèi)部參考地與系統(tǒng)地之間存在引線電感，芯片輸出管腳與系統(tǒng)地之間存在負(fù)載電容，隨著數(shù)字設(shè)備速度逐漸變快，它們的輸出開(kāi)關(guān)時(shí)間越來(lái)越 少。如果地線通過(guò)電流的能力不夠，那么當(dāng)大量的開(kāi)關(guān)電路同時(shí)由邏輯高變?yōu)檫壿嫷蜁r(shí)，就會(huì)導(dǎo)致芯片內(nèi)部參考地的電壓漂移，即地彈。由于地彈與引線電感、負(fù)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(gè)邏輯門(mén)驅(qū)動(dòng)太多的負(fù)載。另外，采用上升沿變化緩慢的器件也可以在一定程度上減小地彈的影響。 電磁干擾將導(dǎo)致過(guò)量電磁輻射，表現(xiàn)為當(dāng)數(shù)字系統(tǒng)加電運(yùn)行時(shí)，某個(gè)傳輸線得到類(lèi)似天線的特性，對(duì)周?chē)h(huán)境輻射電磁波，從而干擾周?chē)娮釉O(shè)備的正常工作。它產(chǎn)生的主要原因是電路工作頻率太高以及布局布線不合理。 在電路設(shè)計(jì)中， 信號(hào)完整性問(wèn)題是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，往往有許多難以預(yù)料的因素會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此信號(hào)完整性分析在高速電路設(shè)計(jì)中的作用舉足輕重，只有解決好高速設(shè)計(jì)中的信號(hào) 完整性問(wèn)題，高速系統(tǒng)才 能準(zhǔn)確、穩(wěn)定地工作。 PCB 具體設(shè)計(jì) 完成了系統(tǒng)所有的分塊硬件電路設(shè)計(jì)之后，最終要實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和采樣的 一體化設(shè)計(jì)，這就要求各個(gè)模塊電路必須集中到一塊電路板，所以我的 PCB 板設(shè)計(jì)要包括：FPGA 最小系統(tǒng)、 CCD 驅(qū)動(dòng)電路模塊、 VSP5010 電路模塊。 設(shè)計(jì)使用的是 Protel DXP 2020 軟件。 本設(shè)計(jì)的原則是盡量縮小電路板的 面積，節(jié)約成本，而將信號(hào)完整性分析放在次要位置。本系統(tǒng)所需要的電壓源共 3 個(gè) ： 12V，為 CCD 正常工作器件供壓 ； 和，為 FPGA 和 AFE 供壓。本設(shè)計(jì)采用 雙 面 板，頂 層主要 放置核心 器件，如 FPGA，VSP5010 等，底層主要放置一些去耦電容，電阻。 由于平時(shí)沒(méi)有畫(huà)過(guò) PCB，沒(méi)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，所以在設(shè)計(jì) PCB 的過(guò)程中遇到了許多問(wèn)題， 首先遇到的是布局問(wèn)題， 看到由原理圖導(dǎo)入 PCB 文件后的一大堆元件，不知道該怎么排列好，就按照橫豎排列整齊的方法排列，結(jié)果布線的時(shí)候發(fā)現(xiàn)問(wèn)題很?chē)?yán)重，許多線布不通。經(jīng)過(guò)老師指導(dǎo)， 布局 時(shí)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(kuò)展接口及按鍵等幾個(gè)部分。 圖 311 所示為 初步 布局后西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 23 的 PCB 效果圖 。 圖 311 PCB初步 布局 效果圖 經(jīng)過(guò)分塊布局后，設(shè)計(jì)的各個(gè)部分在 PCB 上體現(xiàn)出來(lái)，這樣在布線的時(shí)候思路清晰，知道怎么走線最好。 在布線 過(guò)程時(shí) ，出現(xiàn) 不能自動(dòng)布線 的問(wèn)題 ， 而且 FPGA 芯片的引腳全部變綠。 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。 經(jīng)過(guò)幾次調(diào)整，自動(dòng)布線全部不通了，但是發(fā)現(xiàn)許多線布得不合理 ，而且過(guò)孔太 多，電源的走線也太細(xì)， 加工難度太大， 不符合設(shè)計(jì)要求，所以 決定手動(dòng)布線。 還遇到的 問(wèn)題就是 如何放置芯片 去耦電容 。 開(kāi)始時(shí) 只是 將所有電容并聯(lián)在一起 ，沒(méi)有認(rèn)識(shí)到去耦電容的作用。后來(lái)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。最好的方法就是把去耦電容放在芯片的背面， 接地端一致朝里，接電源端通過(guò)過(guò)孔和芯片對(duì)應(yīng)供電腳相連。 由于芯片的尺寸較小， 0805 的電容不好放置，所以 更改 電容的 封裝為 0603，這樣 布局更加 方便 合理 。 圖 312 為 調(diào)整后 布線效果圖。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 24 21122 11 2121212121212212 12 1212121212121212 12 12 12 134214321432123487651838279787776757473626160599998979610911011111211311411511611711811912012112212312412512612712812913013113213313413513613713813914014114214314480 81 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 100 101 102 103 104 105 106 107 108727170696867666564635857565554535251504948474645444342414039383736 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1122 12 121212121212121212 12181 23 45 679 1081 23 45 679 102 121212121201918174321 567891011121314151612345678910123456789101 2 3232220191716141312119865321244825474644434140383736353332302927264543934282115107 423118121 21 21 21 21212121212121212121212121212121221211221122112 圖 312 布線效果圖 修改后的 PCB 已 滿 足設(shè)計(jì)要求，但 在老師指導(dǎo)下再次 對(duì)電路 進(jìn)行了優(yōu)化 。為了充分利用 FPGA 豐富的 I/O 管腳資源 ，方便電路擴(kuò)展，增加 I/O 接口 J4 到 30 腳 ， 同時(shí)增加了按鍵 數(shù)目。最后再次對(duì)布線進(jìn)行優(yōu)化， 補(bǔ)淚滴，并 雙面 對(duì)地 覆銅。至此 完成了全部 PCB 板的 設(shè)計(jì)。 圖 313 為最終版的未覆銅的 PCB 效果圖。 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 25 01231212121221211212121212121 21 212121 212121 221212112211 210 98 76 54 32 11 23 45 67 89 101 21 2123456789101112131415161718192021222324252627282930211 221122112122121212 1212 12 12 12 1212121212 121212121213 2 110987654321109876543211 21 21 21 2121212121212211212121234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556575863646566676869707172108107106105104103102101100959493929190898887868584818014414314214114013913813713613513413313213113012912812712612512412312212112011911811711611511411311211111010996 97 98 995960616273 74 75 76 77 78 79 82 8315678432123412341324121212