基于fpga的彩色ccd成像技术.ppt

指导老师：指导老师： 田思田思 专业：电子信息工程专业：电子信息工程 班级：班级： 079412079412 姓名：姓名： 钱宝国钱宝国 基于FPGA的彩色CCD成像技术 硬件设计 目录目录 l l 第一章第一章 绪论绪论 l l 第二章第二章 CCDCCD器件的工作器件的工作原理原理 l l 第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计 l l 第四章第四章 测试及误差分测试及误差分析析 第一章第一章 绪论绪论 l l 由于具备价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，由于具备价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，CCDCCD成像系统将成像系统将 极具市场竞争力，特别适合性价比要求高的低端军事领域和厂矿企业的应用。影极具市场竞争力，特别适合性价比要求高的低端军事领域和厂矿企业的应用。影 像传感器技术对世界和整个社会带来了巨大且深远的影响，影像传感器的应用范像传感器技术对世界和整个社会带来了巨大且深远的影响，影像传感器的应用范 围甚广，如数字相机、手机，已经成为现代文化密不可分的一部份，也影响了社围甚广，如数字相机、手机，已经成为现代文化密不可分的一部份，也影响了社 交媒体和视讯共享革命的发展。电荷藕合器件图像传感器交媒体和视讯共享革命的发展。电荷藕合器件图像传感器CCDCCD，它使用一种高感，它使用一种高感 光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字 信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而 可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和 想像来修改图像。想像来修改图像。CCDCCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCDCCD表表 面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产 生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面 l l CCDCCD的发展是异常迅速，应用范围越来越广。的发展是异常迅速，应用范围越来越广。CCDCCD图像传感器的出现和迅速发展图像传感器的出现和迅速发展 是成像技术领域中的一个重大突破，它集成像技术与微电子加工技术于一体。随是成像技术领域中的一个重大突破，它集成像技术与微电子加工技术于一体。随 着微电子技术的发展，着微电子技术的发展，CCDCCD技术还会继续不断的向前发展，在国民经济各领域以技术还会继续不断的向前发展，在国民经济各领域以 及军事，公安等部门展现了十分广阔的应用前景。及军事，公安等部门展现了十分广阔的应用前景。 l l 本课题主要是利用本课题主要是利用FPGAFPGA强大的编程和逻辑功能，通过强大的编程和逻辑功能，通过D/AD/A视频编码芯片，实现简视频编码芯片，实现简 单的数码摄像机的功能。针对系统的需求，完成单的数码摄像机的功能。针对系统的需求，完成CCDCCD读出模块，视频存储模块，读出模块，视频存储模块， 视频合成输出模块的设计及测试。视频合成输出模块的设计及测试。 第二章 CCD器件的工作原理 本设计的原理： (1)光电转换、储存 光电二极管，是在P-型Si衬底上扩散一个N+区域已形成P-N结二极管。通过多晶 硅相对二极管反向偏置，于是在二极管中产生一个定向电荷区。在定向电荷区中，光 生电子与空穴分离，光生电子被收集在空间电荷区中。空间电荷区对带负电的电子而 言，是一个势能特别低的区域，因此通常又称之俄日势阱。透射光产生的光生电荷就 储存在这个势阱之中，势阱能够储存的最大电荷量又称之为势阱容量，势阱容量与所 加栅压近似成正比。光敏二极管和MOS电容器相比，光敏二极管具有灵敏度高，光谱 响应宽，蓝光响应好，暗电流小等特点。如果将一系列的MOS电容器或光敏二极管排 列起来，并以两相、三相或四相工作方式把相应的电极并联在一起，并在每组电极上 加上一定的驱动脉冲，这就具备了CCD的基本功能。 二极管和电子能带跃迁图 (2)电荷转移 为了便于理解在CCD中势阱电荷如何从一个位置移到另一个位置，取 CCD中四个彼此靠得很近的电极来观察 三相CCD中电荷转移过程 (3)电荷读出 CCD的信号电荷读出方法有两种:输出二极管电流法和浮置栅MOS 放大器电压法。 原理设计流程原理设计流程 基于FPGA的彩色CCD成像系统原理图 第三章第三章 硬件电路的设计硬件电路的设计 3.1 FPGA主控模块 根据可编程门阵列的工作要求和CCD图像的特点，信号处理电路主要完成图像信 号采集、图像信号处理、视频合成、数据通信、键盘服务、系统实时标定等功能。本 文设计了如下图所示的基于FPGA的信号处理电路。它主要由FPGA、EPCS、SRAM 、A/D、D/A、实时标定电路和电源构成。FPGA是整个信号处理电路的核心，其内部 的嵌入式处理器主要承担系统管理、数据通信、数据加载、键盘服务等功能；其片内 逻辑主要承担信号处理、视频合成、驱动控制、时序管理以及与嵌入式处理器的接口 逻辑等功能。 基于FPGA的信号处理电路原理图 3.2 外围电路设计 （1）视频转换模块 在本系统图像采集选用了AD9826工作的模式。AD9826有视频信 号采样、视频色解码和空间转换的功能。将输入的标准视频 信号直 接转换 成CCIR601标准数字视频 信号或RGB888三基色数字视频 信 号。 视频输出采用的事ADV7123，其特点是集成了三路高速D/A转换 器。具有330M的数据吞吐量、80MHz的流水线。CMOS工艺，10位 数据宽度；采用3。3V或5V电压供电；标准的TTL数据输入和高阻的 模拟输出电流源；输出格式为互补形式，与RS343/RS170兼容；外 有视频控制信号复合同步 和复合消隐 ；采用LQFP封装，便于系统小 型化。 （2）其他电路 电源电路 键盘电路 JTAG接口电路 存储器电路 3.3 CCD驱动电路设计 驱动电路的功能是产生保证产生CCD器件正常工作的转移时钟、 传输时钟、采样保持时钟、复位时钟、信号处理电路和A/D转换电路 所需要的同步脉冲、像元时钟和箝位脉冲。本系统中的所有时钟信号 都通过FPGA来产生的。 第四章第四章 测试及误差分析测试及误差分析 在整个系统的设计过程当中，首先设计硬件部 分，再设计软件部分，或者软硬件同时进行，分模 块调试。 （1 1）硬件调试）硬件调试 a a 电源部分的测试电源部分的测试 b b 晶振的输出可以用示波器观测看是否准确晶振的输出可以用示波器观测看是否准确 c c 复位电路的复位电路的RESETRESET端得测试端得测试 d d 调试调试SRAMSRAM e e 调试串口部分调试串口部分 （2 2）FPGAFPGA调试调试 A