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1、 武汉工业学院毕 业 设 计设计题目：基于现场可编程逻辑器件的图 像传感器驱动时序生成技术姓 名 学 号 院 (系) 数理科学系 专 业 电子信息科学与技术指导教师 年6月11日27目 录摘要IAbstractII1 可编程逻辑器件概述11.1 可编程逻辑器件的发展及应用11.2 可编程逻辑器件的优点21.3 VHDL的基本介绍21.4 VHDL系统设计的特点31.5 VHDL语言的优点41.6 VHDL语言设计数字系统的特点52 CCD的相关介绍72.1 CCD的简介与应用72.2 CCD的工作原理82.2.1 CCD的MOS结构及存贮电荷原理82.2.2 电荷的转移与传输92.3 CCD与
2、CMOS工作原理比较102.4 CCD驱动时序生成技术123 CCD驱动电路的设计133.1 线阵CCD驱动电路设计的几种方法133.2 EPROM驱动方法133.3 IC驱动方法143.4 单片驱动方法153.5 编程逻辑器件设计法153.6 四种设计方法比较164 时序电路的设计及仿真184.1 引言184.2 输出CCD驱动时序发生器原理184.2.1 芯片结构说明184.2.2 驱动时序分析194.3 CCD驱动时序的CPLD实现204.3.1 复杂可编程逻辑器件(CPLD)204.3.2 CCD驱动时序的VHDL描述214.4 CCD驱动时序的系统仿真22结束语25致 谢26参考文献
3、27摘要本文的预期目标是用一种硬件描述语言在一种可编程逻辑器件上实现驱动时序生成。在实际成像系统中，成像传感器要输出图像信号，必须有高速时序驱动才能工作。典型的图像传感器都是在一定时序信号驱动下才能将图像信号转化成一定顺序的行列视频原始图像信号。一般分离元件组成的时序发生器电路几乎不可能产生符合如此高速要求的脉冲驱动，而现代可编程逻辑器件符合这一要求，所以常常用在专用的图像传感器驱动时序产生电路当中。本文就是通过基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)的CCD的驱动时序电路设计来说明这一问题。本文应用CCD中编程逻辑器件设计法来实现这一电路的设计，用VHDL语言对电路进行描述。因为要检验这一电路是否
4、合乎要求，在最后测试过程中通过QUARTUS软件对驱动时序发生器进行仿真得出仿真波形。最后并比较了仿真波形和理论波形，比较结果表明，该设计电路能满如要求，达到了预期目标。关键词：复杂可编程逻辑器件(CPLD)；CCD；驱动时序；VHDLAbstractThis paper anticipated target is to use a hardware description language in programmable logic devices on its timing generation driver. In the actual imaging system， imaging s
5、ensors to output image signal，there must be high speed sequential driver can work. The typical image sensor in certain timing signal is driven by the image signal can be transformed into the ranks of the correct order video original image signal. General separation components timing generator circui
6、t is almost impossible to produce comply with such high requirements，and the pulse drive modern programmable logic devices conform to this request，so often use in special image sensor drive timing of produce circuit. This paper is based on complex programmable logic devices (CPLD) of CCD driver timi
7、ng circuit design to explain the problem. This paper applied in the CCD programming logical device design method to realize this circuit design，with VHDL language to circuit is described herein. Because want to test the circuit is suitable in the final whether，test process through the QUARTUS softwa
8、re simulation to drive timing generator that simulation waveform. Finally and compares the simulation waveform and theoretic waveform，the comparison results show that the circuit design can full if request，can achieve the desired goals. Key words: complex programmable logic device (CPLD); CCD; Drivi
9、ng Time; VHDL1 可编程逻辑器件概述1.1 可编程逻辑器件的发展及应用当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代1-3。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路、发展到超大规模集成电路(VLSIC，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器(FPLD)，其中
10、应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。随着应用系统向高速度、低功耗和低电压方向的发展，对电路设计的要求越来越高传统集成电路设计技术已无法满足性能日益提高的整机系统的要求。同时，由于IC设计与工艺技术水平的提高，集成电路规模越来越大，复杂程度越来越高。目前已经可以将整个系统集成在一个芯片上，即片上系统(System on a Chip缩写为SOC)4-6，这种芯片以具有系统级性能的复杂可编程逻辑器件(CPLD)和现场可编程门阵列(FPGA)为主要代表。与主要实现组合逻辑功能的CPLD相比，FPGA主要用于实现时序逻辑功能。对于ASIC设计来说，采用FPGA
11、在实现小型化、集成化和高可靠性系统的同时，还可以减少风险、降低成本、缩短开发周期。CPLD(Complex programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)和FPGA(Field programmable Gates Array，现场可编程门阵列)都是可编程逻辑器件7，它们是在PAL、GAL等逻辑器件基础上发展起来的8。同以往的PAL、GAL相比，FPGA/CPLD的规模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路的应用。它可以替代几十甚至上百块通用IC芯片。这种芯片具有可编程和实现方案容易改动等特点。由于芯片内部硬件连接关系的描述可以存放在磁盘、ROM、PROM、或EPROM中
12、，因而在可编程门阵列芯片及外围电路保持不动的情况下，换一块EPROM芯片，就能实现一种新的功能。它具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及实时在检验等优点，因此，可广泛应用于产品的原理设计和产品生产之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件9。在现代电子系统中，数字系统所占的比例越来越大。系统发展的越势是数字化和集成化，而CPLD/FPGA作为可编程ASIC(专用集成电路)器件，它将在数字逻辑系统中发挥越来越重要的作用。 1.2 可编程逻辑器件的优点固定逻辑器件和PLD各有自己的优点。例如，固定逻辑设计
13、经常更适合大批量应用，因为它们可更为经济地大批量生产。对有些需要极高性能的应用，固定逻辑也可能是最佳的选择。然而，可编程逻辑器件提供了一些优于固定逻辑器件的重要优点，包括：PLD在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于PLD来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到。 PLD不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品。PLD器件已经放在分销商的货架上并可随时付运。PLD不需要客户支付高昂的NRE成本和购买昂贵的掩模组，PLD供应商在设计其可编程器件时已经支付了这些成本，并且可通过PLD产品线延续多年的生命期来分摊这些成本。 PLD允许客户在需要
14、时仅订购所需要的数量，从而使客户可控制库存。采用固定逻辑器件的客户经常会面临需要废弃的过量库存，而当对其产品的需求高涨时，他们又可能为器件供货不足所苦，并且不得不面对生产延迟的现实。PLD甚至在设备付运到客户那儿以后还可以重新编程。事实上，由于有了可编程逻辑器件，一些设备制造商现在正在尝试为已经安装在现场的产品增加新功能或者进行升级。要实现这一点，只需要通过因特网将新的编程文件上载到PLD就可以在系统中创建出新的硬件逻辑。过去几年时间里，可编程逻辑供应商取得了巨大的技术进步，以致现在PLD被众多设计人员视为是逻辑解决方案的当然之选。能够实现这一点的重要原因之一是象Xilinx这样的PLD供应商
15、是无晶圆制造厂企业，并不直接拥有芯片制造工厂，Xilinx将芯片制造工作外包给IBM Microelectronics 和 UMC这样的主要业务就是制造芯片的合作伙伴。这一策略使Xilinx可以集中精力设计新产品结构、软件工具和IP核心，同时还可以利用最先进的半导体制造工艺技术。先进的工艺技术在一系列关键领域为PLD提供了帮助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。1.3 VHDL的基本介绍VHDL的英文全名是Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于1982年。1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言10。自IEEE公布了VHDL的标准版本，IEEE-1076(简称87版)之后，各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。此后VHDL在电子设计领域得到了广泛的接受，并逐步取代了原有的非标准的硬件描述语言。1993年，IE
