外姿态测量系统中CCD驱动时序的设计及实现

李 晶 袁 峰 丁振良

(哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

0 引言

目前，空间物体的三维姿态测量在航空航天、船舶、军事等领域有着重要应用。空间物体姿态测量方法有GPS导航法、激光干涉跟踪法、激光雷达法以及计算机视觉测量法等［1-2］。近年来，计算机视觉对于目标的运动姿态参数测量已逐渐成为研究的热点［3］。其中，基于线阵电荷耦合元件(charge coupled device，CCD)的姿态测量方法具有速度快、精度高等特点。

CCD电荷耦合器件具有输出噪声低、动态范围大和电荷转移效率高等优点。按阵列排列的不同，CCD分为线阵CCD和面阵CCD［4-6］。

线阵CCD已在各种非接触测量中得到越来越广泛的应用:大型射电天文望远镜FAST项目采用线阵CCD检测空间三维标志点的实时运动位置［7］;清华大学生物医学工程系利用线阵CCD三维测量，在计算机辅助手术中进行立体定位［8］等。本文就是在多线阵CCD组合测量空间物体外姿态的背景下，进行线阵CCD驱动研究。

为克服以往普通数字电路芯片在实现线阵CCD驱动时存在电路体积大、设计复杂、灵活性和稳定性差等缺点［9］，本文提出了一种基于复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device，CPLD)并使用Verilog HDL语言的线阵CCD驱动脉冲的设计方法。仿真和硬件试验结果表明，该方法的可移植性好、通用性高，能够满足系统的要求。

1 线阵CCD的驱动电路原理

1.1 驱动电路的工作原理

驱动电路的工作原理图如图1所示。

图1 TCD1708D驱动电路工作原理图Fig.1 Working principle of TCD1708D driving circuit

由外部晶振提供一个基频信号作为CPLD的全局输入时钟信号，采用Verilog HDL作为CPLD的开发语言，将编写好的程序通过JTAG口下载到CPLD。由于采用CPLD的I/O接口电压为3.3 V，而线阵CCD的工作电压为5 V，因此需要对CPLD的输出进行电平转换。同时，CPLD输出的波形与CCD所需的驱动脉冲波形反相，需先通过反相器产生所需的驱动脉冲，再将驱动脉冲信号送到线阵CCD的相应端口。线阵CCD正常工作以后，系统对线阵CCD输出的模拟图像信号进行放大滤波处理，再经A/D转换成数字信号;通过DSP对线阵CCD的数字信号进行处理和存储，从而完成CCD的数据采集处理任务。

1.2 TCD1708D 主要特性

线阵CCD由一系列光敏像元(即MOS电容)组成。当光敏元在受到外界光照时，CCD将产生光电荷，这些光电荷被存储在由电极形成的势阱中。

经过一定时间的积累，在驱动脉冲的作用下，CCD中存储的光敏元电荷包将按顺序向输出端移动，此时的光信号经过输出放大，得到与存储电荷成正比的电压信号［10］。

系统采用的线阵CCD芯片是Toshiba公司生产的TCD1708D。TCD1708D是一款高灵敏度、低电流的两相CCD图像传感器，其有效像敏单元共7450个。光敏单元尺寸为4.7 μm ×4.7 μm，光敏单元中心之间的距离为4.7 μm，扫描一张 A3尺寸的纸可以提供24线/mm的精度。

TCD1708D内部结构如图2所示。信号分为奇数列和偶数列同时输出，即OS1和OS2［11］。

图2 TCD1708D内部结构图Fig.2 Internal structure of TCD1708D

2 TCD1708D的驱动时序设计

TCD1708D的驱动时序关系图如图3所示。

图3 TCD1708D驱动脉冲时序图Fig.3 TCD1708D drive pulse timing

TCD1708D采用两相驱动脉冲工作，在移位脉冲(SH)、电荷转移脉冲(φ1E，O 和 φ2E，O)、复位脉冲(RS)和钳位脉冲(CP)这5路脉冲驱动下正常工作。SH的上升沿意味着线阵CCD开始输出信号。单相脉冲在依次输出64个无效信号、3725个有效信号后，再输出8个无效信号。因此，积分时间至少是3797个脉冲宽度的时间。

为了配合后续电路，取周期数为4000。当SH为高电平时，为电荷转移阶段，φ1E必须同步为高电平;当SH为低电平时，光敏区对采光进行摄像，MOS电容对光生电子进行积累，φ1E也同步为低电平。但φ1E脉冲必须比SH脉冲提前上升、滞后下降。φ1E脉冲先上升意味着移位寄存器中接收电荷包的势阱先形成，有利于电荷的转移;而φ1E脉冲比SH脉冲后下降到低电平，是使存储栅和移位寄存器隔离，以免φ1E电极下的电荷倒回到原势阱。

在本系统中，晶振提供30 MHz的输入时钟信号给CPLD作为全局时钟信号，每个时钟周期为33 ns。φ1、φ2的工作频率为200 kHz，由主时钟经150分频产生，占空比为1∶1。RS、CP工作频率均为200 kHz，占空比为1∶4，CP的相位要稍稍落后于RS。

设计中，本文采用 Altera公司 MAX-II系列的EPM1270T芯片。该芯片内部有1270个逻辑单元，能够通过JTAG口进行调试，从而满足设计要求。程序设计语言采用纯文本文件Verilog HDL，并采用自顶向下的设计方法，移植性和可扩展能力较强，通用性也较好。

3 试验结果与分析

本设计采用的CPLD开发平台为Quartus II 7.1。在Quartus II 7.1软件中设定好所需的参数后进行仿真试验。Quartus II开发系统是一种可编程的设计环境，支持原理图、VHDL、Verilog HDL等多种设计输入形式，界面统一、操作便捷。当输入时钟信号频率为30 MHz时，SH、e1、e2、RS、CP 时序均满足线阵 CCD 的驱动要求。TCD1708D各脉冲仿真波形如图4所示。

图4 TCD1708D各脉冲仿真波形图Fig.4 Simulation wave of each pulse of TCD1708D

将编写的源程序编译后下载到CPLD的EPM1270T芯片中，对实际电路进行测量调试。调试结果表明了本驱动时序的正确性。

4 结束语

根据空间物体外姿态测量系统线阵CCD数据采集的要求，设计了线性 CCD驱动脉冲时序。基于Verilog HDL语言的脉冲时序设计使得移植性较高，为后期维护提供了方便。当输入时钟信号频率为30 MHz时，线阵CCD输出的两路实测像素信号与驱动提供的像素信号输出频率相符，数据的输出速率达50帧/s。仿真和硬件试验表明，该方法满足系统的设计要求，具有可行性。

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