高分辨率全帧CCD芯片FTF4027M的驱动电路设计

本文所要设计的驱动电路是机载CCD相机上的前端驱动电路。机载CCD相机能够将拍摄的图像以数字的形式采集、存储和传输，并与地面实现实时通信，因此可以很好地克服传统光学相机的缺点。随着CCD器件的快速发展，CCD驱动时序的产生有很多种方法，比如可以采用数字集成电路、单片机、EPROM器件或可编程逻辑器件等来实现。本文采用CCD专用的数字集成芯片和单片机进行设计来实现CCD驱动电路。它的优点是结构设计简单、设计周期短、电路可靠性强。而高速时序脉冲产生芯片的运用又克服了单片机晶振频率低的限制，因此足以满足高速大面阵CCD的驱动时序要求。

1 系统总体结构

CCD驱动电路系统框图如图1所示，它以微控制器P89LPC932作为系统总的控制单元，在其控制下，SAA8103与TDA9991共同为CCD芯片FTF4027M提供所需的驱动脉冲和偏置电压，协调整个相机同步工作。CCD输出的信号是带有固定图像噪声和暗电流的模拟信号，需要运用光学黑补偿箝位电路并通过相关双采样去除噪声干扰，然后进行可在控增益放大和模/数转换，这些工作由CCD专用的模拟处理芯片TDA9965来完成。输出的12位数字信号送给DSP以便进行进一步的数字图像处理。




2 FTF4027M的内部结构及驱动时序分析

FTF4027M是一款1100万像素（4008×2672）的超大分辨率全帧CCD图像传感器。其内部结构如图2所示。该款芯片在结构上分为三部分，中间最大的区域为光敏区，即光积分区域；上下两部分为两个输出寄存器，将光积分生成的电荷水平转移到四个角的输出放大器，输出放大器将光生电荷形成的电压信号放大并转移出CCD。该款芯片的最大特点是将光敏区生成的图像分成W、X、Y、Z四个对称的角限，每个象限的电荷可以以不同的方向转移，通过四个输出端同时输出，有效地增加了帧速率，单端输出的帧速率为2帧/秒，而四端同时输出就可以达到7.5帧/秒。在本应用中，单端输出就可以满足系统设计要求，因此采用单端输出方式，电荷转移方向如图中虚线所示，A1、A2、A3、A4为垂直驱动时钟信号，C1、C2、C3为水平移动时钟信号。



CCD的帧转移时序图如图3所示。SSC为系统内部基准时钟信号，用于校准整个CCD的时序；CR（Charge Reset）为CCD的电荷复位信号，相当于电子块门信号；Trig-in是CCD的外部触发信号，用于控制CCD光积分的起始和结束；VA-high是控制四相A时钟的高低电平转换的信号；TG是光敏区与输出寄存器之间的隔栅，TG信号的相位和频率与A1完全一致。整个帧时序分为三个阶段，这三个阶段是循环进行的。把空闲模式阶段定义为第一阶段，在CCD空闲模式下，A时钟信号全部保持低电平。空闲模式后，CCD开始进入第二阶段，即光积分阶段，A1继续保持低电平，A2、A3、A4上升为高电平。因为CCD中的每个像素都可以看作是由四个栅极（每个栅极上连接一相时钟信号）“覆盖”的，而且像素之间必须分离开，水平方向上可以通过沟道隔离像素。为了将像素与像素在垂直方向上隔离开，必须将四个栅极中的某一个栅极电压变为0。



在本应用中，将A1保持低电平以起到像素隔离的作用而光生电荷则在保持高电平的A2、A3、A4的栅极下积聚起来，形成信号电荷包。光积分结束后进入第三阶段，即帧转移阶段，而帧转移又可以看成是垂直行转移和水平像素转移交替进行的，它们之间的交换转换是通过SSC电平的高低转换实现的。在SSC保持高电平时，光敏区里已经生成的光电荷在四相A时钟信号的驱动下逐行地向下转移到输出寄存器的。如图4所示，每转移完一行，SSC变为低电平，则输出寄存器就在三相C时钟信号的驱动下将这一行逐个像素地向输出放大器转移。输出放大器内有一个浮置扩散电容FD（Floating Diffusion Capacitance）,它可以将接收到的电荷包转换为电压信号。

RG（Reset Gate）是通过复位管对FD进行复位的信号，复位后FD可以接收下一个电荷包。SG（Summing Gate）是在输出栅OG之前的最后一个栅，SG信号和RG信号的相位与C3信号的相位相同。一行电荷包经过输出放大器的转换和放大后以电压信号的形式从CCD输出，接下来再进行下一行的垂直行转移和水平像素转移输出，直到光敏面上的所有2684行电荷包输出完毕为止。由此可见，整个一帧图像是在A时钟信号和C时钟信号的交替驱动下从CCD输出而完成帧转移的。

3 系统设计

由于本系统中采用的芯片都是CCD专用的芯片，因此硬件电路设计相对简单一些，主要工作是软件设计。本系统内部的微控制单元为P89LPC932型单片机，它是一款高性能、低功耗、高速度的小封装微控制器，内带I2C控制器。SAA8103也是一个I2C器件，内部有一个寄存器，专门用来保存设定的CCD驱动脉冲和偏置电压的工作参数烧写到单片机的Flash程序存储器中，然后将这些参数在系统上电后通过I2C总线传输到SAA8103的寄存器内，再通过三线串行总线为TDA9965和TDA9991进行设定和控制，从而让CCD在最佳的状态下与后续图像处理和图像传输单元协调工作。