【电子信息工程】基于fpga的彩色ccd成像技术硬件设计

,基于FPGA的彩色CCD成像技术 硬件设计,目录,第一章 绪论第二章 CCD器件的工作原理第三章 硬件电路的设计第四章 测试及误差分析,第一章 绪论,由于具备价格低、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等优点，CCD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，也影响了社交媒体和视讯共享革命的发展。电荷藕合器件图像传感器CCD，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，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD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生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面CCD的发展是异常迅速，应用范围越来越广。CCD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。随着微电子技术的发展，CCD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。本课题主要是利用FPGA强大的编程和逻辑功能，通过D/A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CCD读出模块，视频存储模块，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,基于FPGA的彩色CCD成像系统原理图,第三章 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 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）硬件调试 a 电源部分的测试 b 晶振的输出可以用示波器观测看是否准确 c 复位电路的RESET端得测试 d 调试SRAM e 调试串口部分,（2）FPGA调试 Altera Quartus设计软件提供了一个完整的、多