（信号与信息处理专业论文）口腔X射线CCD图像传输系统设计.pdf

中文摘要 随着数码技术中c c d 技术的发展，医学成像得到了广泛应用。已有的c c d 医学成像处理器虽能对图像信号进行处理，但是同步信号不能及时传递给a d 转换器，a d 转换速度慢，数据也不能及时存储和传输给上位机，从而为医学图 像的病理研究带来很大不便。为此我们重新进行设计，使用c l p d 产生时序脉冲， 利用单片机使得同步信号能够及时到达a d 转换器和存储器，并自行设计u s b 接口，可以实时地传递数据，从而使得图像处理具有实时高效的特性，处理速度 更快，稳定性更好，同时缩短了产品的研发时间，降低了c c d 处理器成本。 本课题分为三大模块进行了设计。第一个模块实现c c d 脉冲的输出，使用 c p l d 器件e p m 7 1 2 8 s l c 8 4 产生时序脉冲。参照已给的c c d 时序脉冲要求，使 用v e r i l o g 编写程序，并在使用q u a r t u si i 进行编译之后，使用m o d e l s i m 和 q u a n u si i 进行了仿真，其仿真时序和要求的时序达到了一致。第二个模块实现 c c d 输出模拟信号的转换。使用m a x l 8 7 实现1 2 位的d 转换，对转换后的 数字信号，使用a t 4 5 d 0 4 l 进行存储，从而实现对信号的转换和存储。第三个模 块实现数据的实时高效传输，为此设计u s b 接口，画出了u s b 硬件连接电路图， 编写出u s b 的初始化、读写等程序。 在论文中介绍了系统的硬件组成、时序脉冲的设计、数据的a d 转换、数 据的存储以及u s b 接口设计，阐述了c c d 的相关知识和工作原理，绘制出电路 图。在此基础之上，完成了c c d 信号的处理和传输。 关键词：数码技术，c c d ，医学成像，时序仿真，a d 转换 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc c d t e c h n 0 1 0 9 yi nd i g i t a l 俞e l d s ，m e d i c a li m a g i n gh a s b e e nw i d e l yu s e d a l t h o u 曲t h ec c di m a g i n gp r o c e s s o r sc a np r o c e s st h ei m a g e s i g n a l ，t h es y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l i s n tt r a n s m i 仳di nt i m e ，a n dt h ec o n v e r s i o ni s s i o w ，d a t ac a nn o tb es t o r e da n dt r a n s m i t t e dt ot h ep ct i m e l y ，w h i c hm a k et h es t u d yo f t h em e d i c a li m a g ei n c o n v e n i e n t ，s ow er e - d e s i g na n o t h e rc c d i m a g i n gp r o c e s s o r si n w h i c hw eu s et h ec l p dt og e n e r a t et h et i m i n gp u l s e ，a tt h es a m et i m ew eu s et h e m c ut om a k et h e s y n c h r o n i z a t i o ns i g n a l r e a c ht h ea dc o n v e r t e ra n d m e m o r y m e a n w h i l ew ed e s i g n u s bi n t e r f a c ew h i c hc a nt r a n s m i tr e a l t i m ed a t a t h u s i te n a b l e st h ei m a g ep r o c e s s i n gm o r ee 衔c i e n t l y ，f a s t e r ，b e t t e rs t a b i l i t y ，a n ds h o r t e nt h e p r o d u c td e v e l o p p i n gt i m e ，l o w e rt h ec o s to fc c dp r o c e s s o r t h ep r 巧e c ti sd i v i d e di n t ot h r e em o d u l e sf o rt h ed e s i g n t h ef i r s tm o d u l ei st o a c h i e v ec c d p u l s eo u t p u t ，w eu s et h ec p l dd e v i c e se p m 7 12 8 s l c 8 4t og e n e r a t e t i m i n gs e q u e n c ep u l s e s a c c o r d i n gt o t h ec c dt i m i n gr e q u i r e m e n t s ，t h ev e r i l o g l a n u a g ei s u s e dt op r o g r a m ，t h e ni ti sc o m p i l e dw i t hq u a r t u si i ，a ti a s ti ti s s i m u l a t e db ym o d e l s i m c o m p a r e dt 0t h er e q u i r e m e n t so ft h et i m i n gs e q u e n c e ，t h e s i m u l a t e dt i m i n gs e q u e n c ei si na c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e do n e s t h es e c o n dm o d u l e i st oa c h i e v ec c do u t p u t a n a l o gs i g n a lc o n v e r s i o n c o n s i d e r i n g t h ev a r i o u s r e q u i r e m e n t s ，m a x 18 7i su s e dt oa c h i e v ea dc o n v e r s i o n f o rt h ed i g i t a ls i g n a l s ，a4 m s t o r a g ed e v i c e sc a l l e da t 4 5 d 0 4 1i su t i i i z e d ，c o m p l e t i n gt h es i g n a lc o n v e r s i o na n d s t o r a g e t h et h i r dm o d u l ei s t oe s t a b l i s he 币c i e n tr e a l - t i m ed a t at r a n s m i s s i o n ，f o r w h i c ht h eu s bi n t e r f i l c ed e s i g ni sc a r r i e do u ti n d e p e n d e n t l y t h eu s bc o n n e c t i o n h a r d w a r es c h e m a t i ci sl a y o u t e d ，a n dt h ep r o g r a m sf o ru s bi n i t i a l i z a t i o na n dr e a d i n g a sw e l la sw r i t i n gp r o c e s sa r ed e v e l o p e d i nt h i st h e s i s ，w ei n t r o d u c e das y s t e mo f h a r d w a r ec o m p o n e n t s ，i n c l u d i n gt i m i n g p u l s es e q u e n c e s o ft h e d e s i g n ，a d c o n v e n e r d a t as t o m g ea n du s bi n t e 渤c e d e s i g n t h er e l e v a n tl m o w l e d g ea n dw o r k i n gp r i n c i p l ea r ed e s c r i b e d ，t h ec i r c u i ti s d e s i g n e dc o m p l e t e l y t w ec o m p l e t et h ec c ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n s y s t e md e s i g nw h i c hm e e t sr e q u i r e m e n t so ft h ep r o j e c t k e yw o r d s ：d 画t a lt e c h n o l o g y ，c c d ，m e d i c a li m a g i n g ，t i m i n gs i m u l a t i o n ， a dc o n v e r s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。t 学位论文作者签名：毒孑厚 签字日期：矽眺年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗本堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：奄尹办 导师签名： 签字同期：渺g 年6 月3r 签字r 期：2 力g 年f 月够 日 第一章绪论 1 1 生物医学图像的发展 第一章绪论 近年来随着计算机技术和网络技术的迅速发展，尤其是数字技术进入到生物 医学领域，推动了生物医学图像信息学( b i o m e d i c a l i m a g i n gi n f o n n a t i o n s ，b i i ) 这 门新学科的进步，利用计算机软硬件技术将生物医学图像作为一种综合信息资 源，建立一整套的采集、处理、分析、管理和传播技术体系，以适应生物医学研 究和医院综合诊疗及管理的需要。 今天的科学研究已经进入到了一个“用图说话的时代”，以往生物医学许多 研究工作都是围绕着生物医学图像所展开的，从史前人们在岩石上描绘人体器 官，进而发明显微镜观察细微病变，发展到今天利用电子显微镜和分子生物学技 术描绘超微世界；研究领域从宏观到微观、从大体到分子水平上扩展；研究方法 也从直观到应用各种光源透视人体内部结构；研究工具也从手工绘制发展到计算 机描绘；研究范围从定性研究到定量研究；研究深度从两维到三维空间，甚至到 四维空间发展；研究广度也从局部到整体，由过去的单个图像发展到综合运用各 种图像来解释病因；研究手段从静止图像到动态图像，发展到虚拟图像。随着当 今科学技术的发展，各种各样的生物医学图像正大量涌现出来，对这些生物医学 图像信息的充分综合利用、分析和传播，已经成为以往的医学影像学和医学图像 分析技术所不能包涵和完全解决的崭新课题。 1 1 1 生物医学图像信息技术 所谓医学图像信息学是将生物医学和计算机技术结合进行研究的边缘学科， 它是医学信息学中的一个分支，它围绕生物体通过不同光源应用不同的设备所呈 现的各类图像，通过现代信息处理技术收集、整理、储存、分析、检索、传播和 利用这些信息。生物医学图像信息技术正成为新世纪医学领域中发展最迅速的学 科之一，也是计算机技术发展的一个新的增长点【2 j 。 生物医学图像信息技术是应用数学技术、计算机技术和网络技术将生物医学 图像数字化，从根本上改变了传统的医学图像采集、显示、存储和传输的模式， 逐步实现无胶片医学图像系统，将图像信息定量化、数据化，使生物医学图像资 源得到充分的利用。实际上生物医学图像信息技术是一个利用计算机处理图像的 第一章绪论 全过程，它是图像成像即人体到图像；图像处理是图像到数字图像；图像分析是 数字图像到数据；图像应用是数据到人，形成人机人的过程，最终解决对疾病 的诊断，进而指导疾病治疗，甚至病因分析等问题。它是将收集资料、综合分析 推理和做出诊断的方法，用较为客观的计算机推理模式替代依靠医生个人经验的 传统诊断方法。 生物医学图像信息技术分为生物医学图像成像技术、生物医学图像处理技 术、生物医学图像分析技术、生物医学图像管理技术和生物医学图像传输技术。 这些技术与以往的医学影像和图像技术是有联系的，涵盖了以往的医学影像和图 像技术，但是也有其特点，它更强调了利用计算机信息技术的内容。下面简要介 绍这几项技术的应用范围和研究内容： ( 1 ) 生物医学图像成像技术：它与医学影像本质上并无太大区别，它主要 是研究如何通过光学原理和染色方法将机体内部信息清晰地表达出来，成为人眼 可视图像。 生物医学图像成像技术分为传统摄影成像技术和现代数字成像技术两个部 分，传统摄影成像技术是利用光学成像原理，应用感光材料成像。 生物医学数字图像采集设备一般包括：数码照相机、内窥镜数字照相机、扫 描仪、数字摄像机及采集卡；生物医学数字显微图像采集包括：各种光学显微镜 数字成像设备、超微结构电镜数字成像设备；生物医学数字图像特殊光源采集设 备包括：x 光数字成像设备、核磁共振数字成像设备、超声成像设备。 医学成像技术是把生物体中有关的生理信息以图像形式提取并显示出来。医 学图像技术种类很多，其中传统的显微图像、x 射线图像和内窥镜图像技术得到 不断发展；与计算机技术相结合的超声医学图像、x 射线计算机断层图像、磁共 振图像( m r i ) 和放射性核素图像等也已取得迅速发展和普及应用；热成像、微波 成像、电阻抗成像技术亦在开发和研究之中，有的已形成产品。今后的重要课题 是提高已有成像技术的成像速度和分辩力，扩展成像功能，特别是用于体内化学 成分和生理功能的检查，并努力降低成像设备的成本，提高图像质量和观测精度 的三维重建理论和技术的研究。 ( 2 )生物医学图像处理技术：是利用计算机的软、硬件将图像数字化后进 行采集、显示、存储和传输以及将二维图像加工、将二维图像转化为三维透视图 像、对动态图像进行编辑处理。医学图像处理技术是对已获得的图像进行分析、 识别、分割、解释、分类以及三维重建与显示等处理，目的是增强或提取特征信 息。成像与图像处理技术有时是结合为一体的。医学图像处理方法很多，如临床 知识、解剖学知识、成像技术知识和统计学知识等的图像处理技术均发展较迅速。 此外，模糊处理技术、人工神经网络等技术在医学图像处理中已受到高度重视， 2 第一章绪论 三维图像显示技术亦是重要的发展方向。 ( 3 ) 生物医学图像分析技术：是对图像中所感兴趣的特定目标进行标定和 测量，获取它们的客观信息，从而建立对图像的数据描述。经对图像的测定数据 进行计算，揭示机体形态和功能，推论疾病和损伤的性质，从而进行辅助诊断和 指导医生进行治疗。 ( 4 ) 生物医学图像管理技术：包括对病理文字资料、显微形态图像和大多 数病理标本形态图像的管理。由于以上内容均可被计算机转变为数据的形式储 存，因此采用计算机对其进行管理。这样，既能保证诊断信息的完整性，节省了 一定空间，又方便了诊断信息的查询、统计。 ( 5 ) 生物医学图像传输技术：是利用英特网技术在网上开展图像信息资源 的检索和查询，网上传递图像供远程诊断。异地间的图像信息交流方便了诊疗， 同时也可在医院内，应用数字医学系统一医学影像存档与通信系统( p a c s ) 实现 医院内部的生物图像网络间的传递技术。 1 1 2 数码技术在医学图像中的应用 数码摄影日益广泛的应用，给医学摄影带来了全新的理念，使医学摄影可制 成照片、图片、录像等多种媒体，宣告了多媒体医学摄影和绿色医学摄影时代的 来临。医学摄影数字化就是将医学图像数字化，这样图像就能利用计算机进行加 工处理，实现计算机的多媒体化和网络化。 数码相机在拍摄过程中，省略了胶卷的后期制作，并且即拍即得，不受胶卷 未拍完的限制。对于所拍照片即可通过打印或数码扩印得到，也可直接通过网络 传送。数码相机的结构及成像原理完全采用高科技手段，基本做到曝光、对焦自 动化，并且还有多种曝光模式及拍摄模式，使用时完全可实现智能化。如心脏搭 桥手术，视野较深，使用数码相机拍摄，利用它本身的近距离摄影模式，就可以 拍到色彩真实、图像清晰的照片，并且避免了拍摄者离手术太近造成污染。 数码相机使用图像传感器( c c d 或c m o s 图像光敏器件) ，它是一种数字信 号处理器，减少了图像处理过程中的信号衰减，在正常光源情况下能得到高质量 图像外，还有很好的低照度能力，杂波很少，信噪比有很大提高。因而在胶片无 法拍摄的条件下能获取满意的照片。数码相机是通过存储器来保存照片的，可以 多次重复使用，就像一个用不完的“胶卷”，被人们誉为“零消耗”。再将已拍 图像转存到计算机上后，就可将存储卡图像删除继续拍照，大量资料可以分类刻 盘保存，既省空间又不会使资料质量降低。 第一章绪论 1 2 课题任务和论文结构 本课题主要完成的任务具体有以下几个： ( 1 )使用c p l d 完成c c d 脉冲时序的产生，并用q u a r t u si l 进行仿真， 绘制出硬件连接图； ( 2 ) 对c c d 输出信号进行a d 转换，并存储，实现硬件的连接、设计放 大电路，编写a d 转换程序，编写存储器读取程序，以及和单片机的通信程序； ( 3 )设计出u s b 接口，编写图像数据的读取程序，与上位机的通信传输 程序，初始化程序，中断程序，绘制出外围电路图。 在完成以上任务的前提下，进行了论文的撰写。论文结构安排为：论文第一 章为绪论，主要介绍了医学图像的发展，c c d 数码技术的应用，同时阐述了课 题任务。在第二章将主要阐述系统的总体结构，画出了系统的总体结构图，硬件 连接图和软硬件的任务。接下来按照数据的流向，分为三章进行介绍。在第三章 介绍了c c d 模块，阐述了c c d 的原理，使用器件s 8 9 8 5 0 2 c c d 的各种电气特 性和时序特性。同时讲述c p l d 的工作原理和特性，详细解释用c p l d e p m 7 1 2 8 s l c 8 1 4 如何产生所需的时序脉冲。紧接着，在第四章主要介绍了a d 转换的原理，硬件连接图，数据的存储和程序编写的流程。在第五章将对u s b 接口进行详细的说明，实现u s b 接口设计，完成初始化程序，读写程序的编写。 4 第二章系统设计介绍 第二章系统设计 本章主要是对系统进行介绍，阐述清楚系统的工作原理、系统软硬件的设计， 以及各个功能模块的作用。 2 1 系统的总体结构 本项目系统的设计流程是按照数据的走向进行设计，系统的框架如图2 1 ： 2 1 系统总体框架图 从系统框架图中可以发现，c c d 图像处理系统从功能模块上分为四个部分： c c d 数据产生的时序脉冲设计和控制设计，数据的a d 数据转换，存储器的设 计，u s b 接口的设计； ( 1 )c c d 数据产生的时序脉冲设计。主要包括，c p l d 的时序产生模块， 电源模块，与单片机的连接模块，其主要的功能就是给c c d 器件以脉冲，使其 输出图像信号，同时产生同步信号。 ( 2 )数据的a d 数据转换。主要是接收到数据，在单片机给a d 同步信 号的时刻进行舳装换，把模拟信号转换为数字信号，方便存储。 ( 3 )存储器的设计。对a d 转换的数字信号进行存储，保证数据不被覆盖。 ( 4 )u s b 接口的设计。为了快速高效的传输数据，设计u s b 接口。使用 c h 3 7 2 u s b 专用芯片进行设计。 c c d 图像处理的过程为：上电后，首先经由单片机发出控制命令，使得c p l d 器件产生五路驱动脉冲，从而在c c d 输出端输出图像信号，接着对该信号进行 放大，使其电平范围为a d 转换所需的电压范围。同时a d 在单片机发出同步 第二章系统设计介绍 信号后，对模拟信号进行加转换，如果存储器未满，将数据存储到存储器中， 若u s b 接到计算机的取命令，则将存储器数据传输到计算机，若u s b 接到计算 机的接受命令，则将数据存储到存储器中【3 】f 4 1 。如果存储器已满，则发出通知信 号给单片机，使其通知c c d 停止数据传输，刖d 停止进行转换。实际设计的电 路原理如图2 2 ： 2 2 系统任务 图2 2 系统电路图 本项目需要完成的任务有时序脉冲的产生，信号的转换和存储，以及u s b 接口的设计。详细的说明如下： 、 ( 1 ) c c d 驱动脉冲的产生，在该任务中，首先要对c c d 器件s 8 9 8 5 0 2 的 电气特性有一定的了解；其次需要对已经给的c c d 的时序脉冲进行分析，从而 找到各个时序之间的时间对应关系，以便确定最小的时钟周期；也需要弄清楚 6 第二章系统设计介绍 c c d 工作的原理，设计出c c d 的外围电路。在以上工作做好的基础之上就可以 进行时序脉冲的设计。在设计时序脉冲的过程中，使用的语言是v e r i l o g 语言， 开发环境是q u a r t u si i ，仿真工具先使用的是m o d e l s i m ，后进行的是 q u a r t u si i 的仿真。从而实现了时序脉冲的设计和输出，对照项目要求可以发 现仿真结果和要求基本一致。因此需要了解c p l d 设计的基础知识，熟悉所选的 c p l d 芯片，了解c p l d 设计的方法和步骤，掌握q u a r t u si i 和m o d e l s i m 的 仿真。 ( 2 ) 数据转换和存储。当信号从c c d 出来之后，首先需要对信号进行放 大，为此要自己设计放大电路，使得模拟信号的电压幅度适合a d 转换器的要 求。其次在信号放大之后，要进行a d 转换。要选用合适的转换芯片，要画出 外围电路图，编写数模转换程序。紧接着要对信号进行实时的存储，这就要求选 用大小合适的存储器芯片，编写初始化程序、数据的读取程序、中断程序等，绘 带0 出合理的外围电路图。 ( 3 ) u s b 接口的设计。在项目的要求范围下，使用c h 3 7 2 进行u s b 接 口的设计。在充分了解该芯片的基础上，绘制出u s b 和存储器、单片机、上位 机的电路连接图，编写出c h 3 7 2 的初始化程序、读写程序、中断程序，画出基 本的流程图。 ( 4 ) 整体硬件电路图的设计。在以上各个功能模块实现的基础之上，要使 用p r o t e l 实现硬件电路图的整体设计，确定电路图中各个元器件的参数。 2 3 本章小结 本章对系统的整体框图和需要完成的任务进行介绍，明确需要完成脉冲的产 生、数据的转换、存储部分的设计、u s b 接口的设计。需要掌握c p l d 的原理 和使用方法、q u a r t u s1 i 的使用、a d 转换的原理、u s b 接口的设计，以及汇 编语言，v e r i l o g 语言。 7 第三章c c d 时序脉冲的产生 第三章c c d 时序脉冲的产生 在本章中的任务是实现c c d 时序脉冲的设计，编写程序，并结合所选硬件 进行仿真。 3 1c c d 的介绍 电耦合器件是由整齐紧密排列的若干个小的光敏元组成的阵列，总约有几十 万甚至上千万个。他们的作用就相当于视网膜上的感光细胞，用以感受照射在它 们上面的光的强弱与色彩。c c d 器件具有以下的特点【5 】： ( 1 ) 具有体积小，重量轻，电压及功耗低，可靠性高，寿命长等系列优点。 ( 2 ) 具有理想的“扫描”线性，可以变化“扫描”速度，畸变小。 ( 3 ) 有很高的空间分辨率。 ( 4 ) 数字扫描能力，像元的位置可以由数字代码确定，便于和计算机结合。 ( 5 ) 光敏元件距的稽核尺寸精确，可以获得很高的定位精度和测量精度。 ( 6 ) 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。 自1 9 7 0 年美国贝尔实验室研制成功第一个c c d 以来。依靠业已成熟的m o s 集成电路工艺，c c d 技术得以迅速发展。其应用领域涉及到航天、航空、遥感、 卫星侦察、天文观测、通讯、交通、机械、电子、航空、计算机、机器人视觉、 新闻、广播、金融、医疗、出版、印刷、纺织、医学、食品、照相、文教、公安、 保卫等各个领域。 美国是世界上最早开发c c d 研究的国家，也是目前投入人力、物力、财力 最到的国家，保持领先的地位。贝尔实验室是c c d 的发源地，并在c c d 传感器 和信号处理方面保持优势。麻省理工学院林肯实验室，罗姆空间实验室以及无线 电公司，通用电气公司，仙童公司，福特航空公司等。在c c d 传感器和应用电 视技术方面，美国以高清晰度，特大靶面，低照度，超高动态范围占有绝对优势。 日本的c c d 技术起步较晚，但是发展极快，特别是日本的彩色c c d 摄像机 具有很强的竞争力。s o n y 公司首先使用高密度转移c c d 传感器实现了r 、g 、 b 分路彩色摄像机。法国的汤姆逊无线电公司和e e v 公司是世界上生产和开发 c c d 产品的著名厂家。 目前c c d 取得了长足的发展，其发展趋势有： 8 第三章c c d 时序脉冲的产生 ( 1 )向高像素数，多制式发展。出现了超过百万像素的c c d 传感器，从 通常的隔行扫描向逐行扫描发展 ( 2 ) 像面尺寸向集成化，轻量化方向发展。尺寸向1 2 英寸、l 3 英寸、1 4 英寸、1 5 英寸的方向发展 ( 3 ) 降低c c d 传感器的工作电压，减少功耗。为了配合p c 机摄像机和网 络图像传输的使用，逐步以+ 1 2 v 和+ 5 v 为主。 ( 4 ) c c d 摄像机的数字化。 从以往的模拟系统逐步实现d s p 数位化处理，可以借助电子计算机和专门软 件系统实现对c c d 摄像机的各种参数的量化调整。 3 2c c d 器件s 8 9 8 5 一0 2 的介绍 下面对在项目中使用的c c d 器件s 8 9 8 5 0 2 进行详细的介绍。 3 2 1s 8 9 8 5 0 2 c c d 概要 s 8 9 8 5 是f f t - c c d 图像传感器，是牙科诊断中口腔x 射线成像的理想仪器。 s 8 9 8 4 像素为2 兆( 1 7 0 0 1 2 0 0 ) 像素，每一像素点位2 0 2 0 岬。纤维光学板 ( f o p ) 作为输入窗口，只有1 5 m m 厚，但可以严格防止x 射线辐射，使得s 8 9 8 4 即使经过了长期使用仍然可靠【6 1 。 3 2 2s 8 9 8 5 0 2 c c d 特性 s 8 9 8 5 0 2 c c d 各种特性如表3 1 3 4 所示： 表3 1s 8 9 8 5 0 2 通用额定值 参数 s 8 9 8 4s 8 9 8 5 0 2 c c d 结构全帧传输 填充系数 1 0 0 有效像素 1 7 0 0 ( h ) x 1 2 0 0 ( v ) 像素尺寸 2 0 ( h ) x2 0 ( v ) 岬 有效区域 3 4 ( h ) x 2 4 ( v ) m m 垂直时钟相位两相 水平时钟相位两相 输出电路无负载电阻的射极跟随器 量规简述3 9 5 ( h ) x 2 7 5 ( v ) m m4 2 6 ( h ) x 3 0 6 ( v ) m m 可靠性 6 0 k v p ， 3 0 mr o e n t g e n1 0 0 0 0 0 次曝光 窗口1 5 m mf o p 上的闪烁器 其他m p p 模式( 低暗电流运行) ，模块( s 8 9 8 5 0 2 ) 9 第三章c c d 时序脉冲的产生 表3 2s 8 9 8 5 0 2 运行条件( m p p 模式，t a = 2 5 ) 参数 ， 标识符最小一般最大单位 输出晶体管汲极 v o d1 21 5 v d r a i n 电压 复位极电压 v r d1 2 1 3 1 4v 输出开关电压 v o go 5 ，) 5v 一 感光底层电压 v s s 0 v 垂直位移寄存高 v p l h ，v p 2 h 036 v 器始时钟电压 低 v p l v l ，v p 2 v 1 0 87v 水平位移寄存 。 局 v p l h h ，v p 2 h h o 36 v 器 低 v p l h l ，v p 2 h l 一0 87v 加法开关电压高 v s g h036v 低 v s g l 0 87v 复位开关电压高v r g h 一9- 87v 低v r g l o36v 传输开关电压高v t g h 036v 低v t g l 0 87v + 5 v 电源电压 v c c4 7 555 2 5v 表3 3s 8 9 8 5 0 2 电气特性( t a = 2 5 ) 参数标识符备注最小一般最大单位 信号输出频率 f c凇11 5m h z 垂直位移寄存器电容 c p l v ，c p 2 v 7 0 0 0 d f 垂直位移寄存 s 8 9 8 4 c p l h ，4 0 0 p f 器电容 c p 2 h s 8 9 8 5 0 2 5 0 0 p f 加法开关电容 s 8 9 8 4c 2 0 p f s 8 9 8 5 0 2 s g 2 2 0 复位开关电容 s 8 9 8 4c r g2 0 p f s 8 9 8 5 0 22 2 0 传输开关电容 s 8 9 8 4c t g2 5 0 s 8 9 8 5 0 2 4 5 0 p f 传电效率 c t e 丰2o 9 9 9 9 50 9 9 9 9 8 d c 输出水平 、，o u t木358l lv 输出阻抗 z o木35 0 0 q 功率消耗 p水37 5 m w 幸4 + 5 电源电流 s 8 9 8 5i c clm s 8 9 8 5 0 2 ， - 表3 - 4s 8 9 8 5 0 2 像素格式 左水平方向右 l 空白 光学黑体隔离有效隔离光学黑体空白 2211 7 0 0l 02 l o 第三章c c d 时序脉冲的产生 e c d 的外围电路连接图如图3 1 ： 图3 1c c d 外围连接电路 下面的时序需要c p l d 来产生，如图3 2 ： c x l y 口c x j t hn ，厂、 二卜i l 一 塑qv dv e r t c l 。洙m v 1 ，； 而j1 u ：”1 ov 。：l 厂? ， 嘲： | | l ：| 帅掰m 嘲眦哪8 唧i嘲册i 肿i 栅 o 删 ? ， 1 | | | | | | l | 【| | | | | 洲洲：l i | | | i | j | | 川 p “t g 蹦s g o 计 图3 2c c d 脉冲时序图 表3 5c c d 时序时问解释 一n 厂一 s 7 噩2s 7 口3s 1 7 0 l 一一丁一 d 30 日 参数标识符 备注 最小一般最大单位 p 1 v 脉宽t p w w 木1 83 06 0u s p 2 v ， 升降时间t p t p 凡 2 0 0 n s t g p l h ， 脉宽 t p w h 1 0 05 0 0n s p 2 h 升降时间 t p r h t p f h 水1 85n s 负载比 5 0 1 1 第三章c c d 时序脉冲的产生 s g 脉宽t p w s 1 0 05 0 0n s 升降时间 t p r s ，t p f s 3n s 负载比 5 0 r g 脉宽 t p 、v r 1 05 0n s 升降时问 t p r r ，t p 行 3n s t g p l h 重叠时间 t o v r1 83 6u s 3 3c p l d 介绍 广义上讲，可编程逻辑器件( p l d ) 是指一切通过软件手段更改，配置器件 连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。早期使用较多的是可 编程阵列逻辑( p l a ) 和通用可编程阵列逻辑( g a l ) 。目前使用较多的可编程 逻辑器件是现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 。现在 c p l d 和f p g a 的芯片容量远远大于p a 和g a l 【7 】 引。 3 3 1 f p g a c p l d c p l d 是在p a l 、g a l 的基础上发展起来的。一般采用e e p r o m 工艺，也 有少数采用f l a s h 工艺，为“与或阵列器件”。c p l d 可实现的逻辑功能比p a l ， g a l 有了大幅度的提升，一般可以完成设计中较为复杂，较高速度的逻辑功能， 如接口转换，总线控制等。f p g a 一般采用s r a m 编程工艺，由查找表组成可 编程门，再构成阵列形式。f p g a 的集成度很高，其器件密度从数万系统门到数 千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高速， 高密度的高端数字逻辑电路设计领域1 9 j 。 市场上c p l d 和f p g a 品种很多，适用较多的是a l t e r a ，x i l i n x ，l a t t i c e 这 3 个公司的产品，各公司都用不同型号的c p l d 、f p g a 产品，结构不同，下载 电缆线不一样，设计软件也不同。但共同的特点是：都可以在系统上进行程序编 辑，不需要专用的编程器。它们都是直接将实验系统和计算机的并行接口连接， 通过运行软件对芯片进行下载，在实验室中可将大量的数字电路设计集成到一个 大芯片中。c p l d 和f p g a 的主要不同是：c p l d 芯片一经上电加载即完成编程， 不必每次上电重新进行加载，也就是当程序烧入芯片后，只有需要再修改程序时 才对芯片重新进行加载，否则将不会改变先前所烧入的代码，类似于大的g a l 芯片；而f p g a 每次上电使用时，不管是否改变程序都要对芯片进行加载f 1 0 】。 1 2 第三章c c d 时序脉冲的产生 3 3 2 可编程逻辑器件常用的开发软件 e a d 的核心是利用计算机自动完成电子系统的完整设计，因此e d a 设计软 件是必不可少的。目前，各种开发软件已经发展的相当完善，例如：a l t e r a 公司 上一代的p l d 开发软件m a x p l u si i ，适用者众多。但是该公司却停止开发m a x p l u s i i ，转向新一代的q u a r t u si i 软件平台。q u a r t u si i 适合更大规模c p l d f p g a 的 开发( 1 2 】【13 1 。 一般来说，完整的f p g c p l d 设计流程包括电路设计与输入，功能仿真， 综合。综合后仿真，实现，布线，布线后仿真与验证，板极仿真验证与调试等步 骤。具体阐述如下： ( 1 )电路设计与输入 常用的设计输入方法有硬件描述语言和原理图设计输入方法等，设计的优点 是直观，便于理解，原器件库资源丰富。但是在大型设计中，这种方法的可维护 性极差，不利于模块构造与重用；主要的缺点是当所选用芯片升级换代后，所有 的设计都要做相应的改动。进行大型工程设计时最常用的设计方法是硬件描述语 言设计输入方法，其特点是自顶向下设计，利于模块的划分与复用，可移植性好， 通用性好，不因芯片的工艺和结构不同而变化，便于向a s i c 的移植。波形输入 和状态机输入方法是两种常用的辅助设计输入方法：使用波形输入法时，只要绘 制出激励波形和输出波形，e d a 软件就能自动根据响应关系进行设计；使用状 态机输入时，设计者只要画出状态转移图，e d a 软件就能生成相应的h d l 代码 或者原理图，使用十分方便。但是需要指出的是，波形输入和状态机输入方法只 能在某些特殊情况下，缓解设计者的工作量，并不适合所有的设计。 ( 2 )功能仿真 电路设计完成后，要用专用的仿真工具对设计进行仿真，验证电路功是否符 合设计要求，功能仿真有时也被称为前仿真，通过仿真能及时发现设计中的错误， 加快设计进度，提高设计的可靠性 ( 3 )综合优化 综合优化是指将硬件描述语言，原理图等设计输入翻译成由与，或，非门， r a m ，触发器等基本逻辑单元构成的逻辑连接，并根据目标与要求优化所生成 的逻辑连接，输出e d f 和e d n 等标准格式的网表文件，供f p g c p l d 厂家的布 局布线器件进行实现。通过设置参数制定优化准则，优化目标主要有面积和速度 两个方面。一般根据设计需要选择面积或者速度优化 ( 4 )综合后仿真 综合完成后需要检查综合结果是否原设计一致，叫做综合后仿真，可估计门 第三章c c d 时序脉冲的产生 延迟带来的影响。但是虽能估计门延时，却不能估计线延时，仿真结果与布线后 的实际情况还有一定的差距，并不十分准确。这种仿真的主要目的在于检查综合 器综合结果是否与设计输入一致。 ( 5 )实现与布局布线 综合的本质是生成一些由与，或，非门，触发器，r a m 等基本逻辑单元组 成的逻辑网表，它与芯片实际的配置情况还有较大差距。此时应该使用 f p g a c p l d 厂商提供的软件工具，根据所选芯片的型号，将综合输出的逻辑网 表适配到具体f p g c p l d 器件，这个过程叫实现。在实现过程中最主要的是布 局布线，所谓布局是指将逻辑网表的硬件原理和底层单元合理地适配到f p g a 内 部的固有硬件结构上；所谓布线是指根据布局的拓扑结构，利用f p g a 内部的各 种连线资源，正确的连接各个元件的过程。 ( 6 )时序仿真 将布局布线的延时信息反标注到设计网表中，所进行的仿真就叫做时序仿 真。 ( 7 )板级仿真与验证 在有些高速设计情况下还需要用第三方的板级仿真与验证，分析高速设计的 信号完整性，电磁干扰等电路特性。 ( 8 ) 加载配置 如果编译，综合，布线，适配和行为仿真，功能仿真，时序仿真等过程都没 有发现问题，即满足元设计的要求，则可以将由f p g 刖c p l d 布线产生的配置下 载文件通过编程器或下载电缆载入目标芯片f p g a c p l d 中。 ( 9 )调试 最后步骤就是在线调试或者将生成的配置文件写入芯片中进行调试。示波器 和逻辑分析仪是主要的调试工具。要求c p l d 和p c b 设计员保留一定数量c p l d 管脚作为测试引脚，在综合实现时再把这些输出信号锁定到测试管脚上，然后 连接逻辑分析仪的探头进行观测。p c b 布线后测试管教的数量就固定了。不能 灵活增加，当测试脚不够用时会影响测试，如果测试脚太多又影响p c b 布局布 线。 3 4e p m 7 12 8 s l c 8 4 器件 3 4 1e p m 7l2 8 s l c 8 4 介绍 本项目使用的a l t e 公司的m a x 7 0 0 0 器件c p l de p m 7 1 2 8 s l c 8 4 。m a x 7 0 0 0 1 4 第三章c c d 时序脉冲的产生 系列是高密度、高性能的c m o se p l d ，它是在m e r a 公司的第二代m a x 基 础上构成的。 m a x 7 0 0 0 结构f 1 4 】是由逻辑阵列块、宏单元、扩展乘机项、可编程连线阵列、 i o 控制块构成。m a x 7 0 0 0 结构中包含4 个专用输入，他们能用作通用输入， 或者作为每个宏单元和i 0 引脚的、全局控制信号：时钟，清除，输出使能。 m a x 7 0 0 0 s 器件的结构图见图3 3 。在图中的p l d 可分为三块结构：宏单元 ( m a r o c e l l ) ，可编程连线( p i a ) 和i o 控制块。宏单元是p l d 的基本结构，由它 来实现基本的逻辑功能。i o 控制块负责输入输出的电气特性控制，比如可以设 定集电极开路输出，三态输出等。图3 3 左上的i n p u t g c l k l ，n p u t g c l r n ， m p u t o e l ，p u t o e 2 是全局时钟，清零和输出使能信号，这几个信号有专 用连线与p l d 中每个宏单元相连，信号到每个宏单元的延时相同并且延时最短。 图3 3 基于乘积项的p l d 内部结构 宏单元的具体结构如图3 4 ： 第三章c c d 时序脉冲的产生 掳s f 鄹渤 1 6e x p 枷町 幻限陬轴咖c l 嘲憾 图3 - 4m a x 7 0 0 0 s 器件的宏单元 虹l i 。 c ! 皤删 b 脚l 左侧是乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程 熔丝，如果导通就是实现“与逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。 两者一起完成组合逻辑。图右侧是一个可编程d 触发器，它的时钟，清零输入 都