本實用新型涉及一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時序發(fā)生器。

背景技術(shù)：

高質(zhì)量的圖像在天文探測、遙測遙感、航空航天等科學(xué)研究領(lǐng)域起著舉足輕重的作用，因此，為了獲取高品質(zhì)圖像，CCD相機充當(dāng)起了至關(guān)重要的角色。目前的CCD相機為了降低讀出噪聲、提高整體性能，讀出速率普遍較低，幀頻往往不超過1fps，遠(yuǎn)不能滿足某些高幀頻應(yīng)用的需求。采用雙通道輸出的方式可以在一定程度上提高CCD輸出頻率，但是相應(yīng)的CCD成像系統(tǒng)的控制時序也更加復(fù)雜，現(xiàn)有的CCD時序控制方法大多難以滿足需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的CCD時序控制方法難以滿足高幀頻CCD成像系統(tǒng)控制需求的技術(shù)問題，本實用新型提供一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時序發(fā)生器。

本實用新型的技術(shù)解決方案是：一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時序發(fā)生器，其特殊之處在于：包括外部時鐘、主狀態(tài)機、子狀態(tài)機和計數(shù)器；

所述外部時鐘與主狀態(tài)機相連；

所述子狀態(tài)機包括曝光控制狀態(tài)機、幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機、行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機、像元讀出控制狀態(tài)機；所述曝光控制狀態(tài)機一端與主狀態(tài)機相連，曝光控制狀態(tài)機的另一端與幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機相連；所述幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機與像元讀出控制狀態(tài)機相連；所述像元讀出控制狀態(tài)機分別與行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機和主狀態(tài)機相連；

所述計數(shù)器包括分別與各子狀態(tài)機相對應(yīng)的曝光計數(shù)器、幀轉(zhuǎn)計數(shù)器、行轉(zhuǎn)計數(shù)器和像元讀出計數(shù)器。

本實用新型還提供一種用于雙通道CCD成像系統(tǒng)的時序驅(qū)動方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)系統(tǒng)上電，復(fù)位信號觸發(fā)主狀態(tài)機處于待機狀態(tài)；

2)外部時鐘產(chǎn)生同步脈沖信號，通過主狀態(tài)機發(fā)送至曝光控制狀態(tài)機；

3)同步脈沖信號觸發(fā)曝光控制狀態(tài)機，打開電子快門開始曝光，同時曝光計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)曝光計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到曝光時間設(shè)定值后，曝光控制狀態(tài)機產(chǎn)生曝光結(jié)束標(biāo)識信號并發(fā)送至幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機；曝光控制狀態(tài)機恢復(fù)待機狀態(tài)；

4)曝光結(jié)束標(biāo)識信號觸發(fā)幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機，進(jìn)行幀轉(zhuǎn)操作，同時幀轉(zhuǎn)計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)幀轉(zhuǎn)計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到幀轉(zhuǎn)設(shè)定值后，幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機產(chǎn)生幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識信號并發(fā)送至像元讀出控制狀態(tài)機；幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機恢復(fù)待機狀態(tài)；

5)幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識信號觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)機，進(jìn)行空讀操作，同時像元讀出計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)像元讀出計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到像元讀出設(shè)定值后，像元讀出控制狀態(tài)機產(chǎn)生空讀完成標(biāo)識信號并發(fā)送至行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機；像元讀出控制狀態(tài)機恢復(fù)待機狀態(tài)；

6)空讀完成標(biāo)識信號觸發(fā)行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機，進(jìn)行行轉(zhuǎn)操作，同時行轉(zhuǎn)計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)行轉(zhuǎn)計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到行轉(zhuǎn)時間設(shè)定值后，行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機產(chǎn)生行轉(zhuǎn)完成標(biāo)識信號并發(fā)送至像元讀出控制狀態(tài)機；行轉(zhuǎn)控制狀態(tài)機恢復(fù)待機狀態(tài)；

7)行轉(zhuǎn)完成標(biāo)識信號觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)機，進(jìn)行像元讀出操作，同時像元讀出計數(shù)器開始計數(shù)；當(dāng)像元讀出計數(shù)器的計數(shù)值達(dá)到像元讀出設(shè)定值后，完成像元讀出，像元讀出控制狀態(tài)機恢復(fù)待機狀態(tài)；

8)重復(fù)執(zhí)行步驟3-7)，直至完成全部模擬圖像的輸出。

較佳的，外部時鐘產(chǎn)生的同步脈沖信號是寬度為1ms的20Hz同步脈沖信號。

步驟4)中進(jìn)行的幀轉(zhuǎn)操作是產(chǎn)生固定周期為720KHz、交疊2/3正程的時鐘將圖像區(qū)的圖像轉(zhuǎn)到存儲區(qū)。

步驟4)中的幀轉(zhuǎn)設(shè)定值為1030。

步驟5)中的像元讀出設(shè)定值為256。

步驟6)中的行轉(zhuǎn)時間設(shè)定值為105Tp。

本實用新型的有益效果在于：本實用新型提供的時序發(fā)生器及時序驅(qū)動方法適用于雙通道高幀頻科學(xué)級CCD成像系統(tǒng)，可以滿足具有一定相位關(guān)系的復(fù)雜邏輯時序信號驅(qū)動，提高CCD成像系統(tǒng)的可靠性。

附圖說明

圖1為本實用新型時序發(fā)生器產(chǎn)生的具體時序示意圖。

圖2為本實用新型時序發(fā)生器的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)框圖。

圖3為本實用新型時序驅(qū)動方法的時序流程圖。

圖4為本實用新型時序驅(qū)動方法產(chǎn)生的時序驅(qū)動信號仿真波形。

具體實施方式

本實施例中選用FTT1010-M作為CCD成像傳感器，F(xiàn)TT1010-M屬幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD，參見圖1，其正常工作需要的時序驅(qū)動信號包括：4路幀轉(zhuǎn)移信號A1、A2、A3、A4，4路行轉(zhuǎn)移信號B1、B2、B3、B4，3路像元讀出信號C1、C2、C3以及復(fù)位信號RG和像元合并信號SG。該CCD成像傳感器工作在左右雙路輸出模式，為了防止左右路信號互相干擾，設(shè)計上將讀出時鐘信號的C1信號分為C1X和C1W，C2信號分為C2X和C2W，分別去驅(qū)動CCD讀出，這樣，驅(qū)動時序信號總共有15路。

FTT1010-M工作所需的具體時序如圖2所示，其工作過程可大體分為4個階段：(1)曝光階段，電子快門打開，CCD進(jìn)行光積分，將光信號轉(zhuǎn)換成空間分布的電荷包信號；(2)電荷包信號轉(zhuǎn)移，電荷包信號依次從圖像區(qū)轉(zhuǎn)移到存儲區(qū)；(3)電荷包信號輸出，電荷包信號依次從存儲區(qū)經(jīng)放大器輸出；(4)空閑，CCD完成圖像信號輸出后等待拍攝下一幀圖像。此外，CCD外圍還需要有大量的電壓偏置來配合這4個步驟才能保證其正常工作。

由圖2中可以看出，CCD的時序由FPGA產(chǎn)生，將外部提供的時鐘進(jìn)行分頻，并按照手冊產(chǎn)生相應(yīng)曝光、幀轉(zhuǎn)移、行轉(zhuǎn)移和讀出時序信號，這些時序信號通過垂直、水平驅(qū)動電路送給CCD，驅(qū)動其工作；同時，F(xiàn)PGA還要根據(jù)需要產(chǎn)生相應(yīng)的偏置電壓控制信號，經(jīng)偏壓切換電路送給CCD，滿足其對各種電壓的需要。

整個時序框圖中，CCD時序的設(shè)計最為復(fù)雜，為了簡化設(shè)計，本實用新型采用了一個主狀態(tài)機來控制，如圖3所示。然后再對不同的子功能設(shè)計下一級狀態(tài)機來實現(xiàn)，最終完成所有的功能。

具體的時序設(shè)計如下：當(dāng)FPGA上電穩(wěn)定后，系統(tǒng)復(fù)位信號Reset觸發(fā)主狀態(tài)機處于空閑狀態(tài)，因為相機的幀頻為固定20f/s，首先，在FPGA內(nèi)利用時鐘分頻功能產(chǎn)生一個寬度為1us的20Hz同步脈沖信號，用于同步整個成像過程。為了精準(zhǔn)控制各過程，系統(tǒng)內(nèi)分別定義了曝光計數(shù)器Inter_cnt、幀轉(zhuǎn)計數(shù)器F_cnt、行轉(zhuǎn)計數(shù)器L_cnt和像元讀出計數(shù)器P_cnt。當(dāng)?shù)谝粋€20Hz脈沖到來時，觸發(fā)曝光控制狀態(tài)，打開電子快門，電子快門的持續(xù)時間設(shè)定為15us，同時Inter_cnt開始計數(shù)，當(dāng)Inter_cnt的值等于設(shè)定的曝光時間時，表明曝光完成，狀態(tài)機會產(chǎn)生一個曝光結(jié)束標(biāo)識信號，用于觸發(fā)幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)，同時曝光控制狀態(tài)會繼續(xù)等待下一個20Hz同步信號的到來，再按照新的曝光時間重復(fù)以上過程。

幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)收到觸發(fā)信號后開始進(jìn)行幀轉(zhuǎn)操作，F(xiàn)_cnt開始計數(shù)。幀轉(zhuǎn)操作主要是產(chǎn)生固定周期為720KHz、交疊2/3正程的時鐘將圖像區(qū)的圖像轉(zhuǎn)到存儲區(qū)，每轉(zhuǎn)移一行F_cnt數(shù)值加1，當(dāng)F_cnt等于1030時，表示將圖像區(qū)的所有圖像轉(zhuǎn)移完畢，這時狀態(tài)機會產(chǎn)生一個幀轉(zhuǎn)完成標(biāo)識來觸發(fā)像元讀出控制狀態(tài)，同時，幀轉(zhuǎn)控制狀態(tài)會空閑，直到下一次幀轉(zhuǎn)觸發(fā)的到來。

為了盡可能減少干擾信號對本幀圖像的影響，幀轉(zhuǎn)完成后，本實用新型沒有直接去行轉(zhuǎn)，而是先空讀2行，當(dāng)像元讀出狀態(tài)收到觸發(fā)信號后，P_cnt開始計數(shù)，每讀一個像元P_cnt數(shù)值加1，因為本實用新型的CCD成像系統(tǒng)工作在雙路Binning模式，當(dāng)P_cnt等于256時說明像元已經(jīng)讀干凈，這時如果空讀完成則觸發(fā)行轉(zhuǎn)狀態(tài)，否則進(jìn)入IDLE狀態(tài)，待105Tp時間后再次空讀一次。

行轉(zhuǎn)狀態(tài)收到觸發(fā)后，L_cnt開始計數(shù)，行轉(zhuǎn)的時間為105Tp，L_cnt在70MHz時鐘域數(shù)值累加直到其值等于105Tp時，觸發(fā)像元讀出狀態(tài)去讀像元。

重復(fù)以上過程，CCD就可以源源不斷輸出模擬圖像，期間可以根據(jù)成像需要通過RS422改變相機的曝光時間，以適應(yīng)多變的成像環(huán)境。系統(tǒng)的時序仿真波形如圖4所示，對照CCD手冊可知，本實用新型提供的時序發(fā)生器及時序驅(qū)動方法完全滿足要求。