基于Nios II的CCD采集系统的设计

作者：时间：2013-07-22来源：网络收藏

摘要：设计了一种在Nios II处理器上的CCD数据采集系统。电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)采集到的信号经过前端的差分运放处理后再进行A／D转换，转换后的数据存储于外部SDRAM中，被读取后显示在LCD上。本文重点介绍了各器件的电路设计和驱动程序的编写。实践表明，该设计成本低，实时性较高。
关键词：Nios II；CCD；数据采集系统；AD9844A；驱动时序

引言
电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)具有尺寸小、精度高、功耗低、寿命长、测量精度高等优点，在图像传感和非接触测量领域得到了广泛应用。大部分研制的数据采集卡将采集到的数据传入PC机，在PC机上编写程序进行数据处理，这种处理方法速度较慢，不适合对实时性要求较高的场合，且需要较大的平台。现场可编程门阵列(FPGA)由于其丰富的逻辑资源和较容易的硬件编程语言，在数据处理上得到越来越到的应用。本设计在FPGA上给出了一种基于Nios II处理器的CCD采集系统的设计，将采集到的信号经过一系列的处理后直接显示在LCD上，方便且实时性较高。

1 系统硬件设计
1．1 系统硬件结构
如图1所示，CCD采样控制器控制CCD进行采样，得到的信号经放大器AD623处理之后进入A／D采样电路，由A／D采样控制器控制，转换之后的数据存储于片上存储器中。系统所有的控制部分都由Nios II软核来完成，Nios II处理器将片上存储器中的数据逐一读取并进行处理之后显示在LCD上，Avalon总线负责各个控制器模块的数据传输。FPGA选用Altera公司的EP3C5E144C8。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/185434.htm

1．2 分模块的设计
1．2．1 TCD1501D模块
根据工程项目的技术要求，本系统选用日本Toshiba公司的TCD1501D作为传感器，该器件是高灵敏度、低噪声和宽动态范围的线阵CCD器件。主要参数如下：
◆光敏像元数：5 000个。
◆像元尺寸：7μm×7μm×7μm。
◆光谱响应范围：300～1000μm。
◆灵敏度：10．4～15．6 V／(Lx·s)。
◆动态范围典型值：3 000 nm。
◆饱和曝光度典型值：0．23 Lx·s。
◆驱动时钟频率最大值：12 MHz。
该器件正常工作的驱动脉冲主要有：复位时钟rs，移位脉冲f1、f2，转移脉冲sh，箝位脉冲cp和采样保持脉冲sp。该器件具有5 000个有效像元，正常工作还需要76个虚设单元信号。由于该器件是两列并行传输，所以在一个周期内至少需要2 538个f1(或f2)时钟脉冲才能完成一帧图像的转移。采用硬件描述语言(Verilog)的输入方式，设计各脉冲产生的程序，各驱动脉冲由基准时钟分频产生。其脉冲参数分别为：f1=f2=0．5 MHz，占空比为1：1，波形为方波，f1、f2在并行转移时有一个大于sh高电平的宽脉冲，脉宽为2 000 ns；复位脉冲rs=1 MHz，占空比为3：1，波形为方波；sh在转移时宽脉冲为1 000 ns；箝位脉冲cp和采样保持脉冲sp分别为rs脉冲的延迟。正确编译后，进行波形仿真，得到的仿真时序图如图2所示。