利用FPGA實現ICCD控制電路設計

吳麗娜，溫文龍，徐向晏

(中國科學院西安光學精密機械研究所，瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，西安710119)

1 引言

像增強器是一種將微弱光信號經光電轉換、電子倍增及電光轉換而再現為增強信號的器件。ICCD正是以微光像增強器為核心，將像增強器經光纖錐與CCD探測器耦合而成。具有體積小、重量輕、耗電少、高解析度、高信噪比和較寬的光譜響應范圍等優點，廣泛用于夜視導航、微光監控、天文觀測和生物工程等微光成像領域［1-2］。

ICCD的控制核心是控制像增強器［3-4］，傳統上像增強器的控制電路多采用模擬、數字集成芯片或單片機。隨著FPGA(現場可編程門陣列)的大規模應用，其價格已經不再成為應用的瓶頸，而且與模擬、數字集成芯片相比，FPGA具有集成度高，體積小，功能更改方便、快捷等優點;與單片機相比，FPGA具有速度高，可靠性好，抗干擾抗輻照，采用一次性固化生成純硬件，完全避免了軟件受干擾易丟失、跑飛等問題。在此介紹一種ICCD的核心器件—像增強器的FPGA控制電路的設計與實現。

2 FPGA控制系統原理

電路控制系統的組成框圖如圖1所示，主要由低壓電源，高壓電源，延時電路，選通快門電路［5］，增益調制電路，監控電路，FPGA控制單元，計算機等組成。計算機通過RS232串行口發送控制指令，FPGA控制單元接收到指令后根據指令內容，經片內固定邏輯實現相應的控制操作。主要實現以下功能:①為增強器提供靜態高壓電源，為控制系統提供所需低壓電源;②提供光電同步信號，保證目標回光到來時，快門同時打開;③提供增強器所需的選通快門，快門寬度5ns-DC;④實現增強器的增益調整，并可在一定范圍內對增益進行調制;⑤當出現強光及打火時，及時保護增強器不受損壞。

3 FPGA與計算機通信模塊設計

FPGA與計算機的通信形式采用RS232異步通信技術。采用Maxim公司的MAX3221E芯片實現物理層接口電平轉換。

圖1 系統控制原理框圖

根據異步通信協議:它以字符為單位進行傳輸，字符之間沒有固定的時間間隔，而每個字符中各位以固定的時間傳送。收、發雙方采用在字符格式中設置起始位和停止位的方法取得同步。在一個有效字符正式發送前，發送器先發送一個起始位，然后發送有效字符位，在字符結束時再發送一個停止位，起始位至停止位構成一幀。在本設計中采用一位起始位(低電平有效)，八位數據位、一位奇校驗位和一位停止位(高電平有效)。

波特率發生器主要由波特率設置鎖存器和分頻器組成。該系統采用50MHz時鐘，波特率采樣脈沖周期就為串行數據傳輸一位所用時間，根據設計對波特率周期設置數值，經計數器計數產生相應脈沖，產生波特率，如圖2所示。例如:若設波特率值為9600，則波特率設置數為5207。

圖2 波特率產生原理

當計算機向FPGA發送數據時，首先進行數據采樣和校驗。當FPGA檢測到信號的下降沿時，接收數據開始，并置發送狀態標志位為高電平，觸發波特率發生器產生采樣脈沖。每一位數據根據脈沖計數器隨采樣脈沖輸出給緩存器，同時進行校驗或判斷。當接收到停止位(與此同時脈沖計數器計數到11)時，一幀數據傳送完畢，數據被轉換為八位并行數據，狀態信號置為低電平，計數器清零。

當FPGA處于發送狀態時，發送模塊檢測到狀態信號為低電平，產生一高電平觸發波特率發生器產生發送脈沖，發送模塊根據脈沖計數器將并行數據轉換為串行數據，同時加上開始位，校驗位和停止位，完成發送過程，計數器清零。

4 MCP增益控制電路設計

MCP增益控制模式分為兩種:動態(可變增益控制模式)和靜態(恒定增益模式)。當FPGA設置像增強器強制關斷保護控制信號為0，動靜態信號設置為0時，像增強器工作在可變增益模式;當FPGA對像增強器強制關斷保護控制信號設置為0，動靜態信號設置為1時，使像增強器工作在恒定增益模式，此時只能通過FPGA發送12位的串行數據給D/A控制MCP增益，而無法加載掃描電壓。該FPGA開發板采用AD5620數模轉換芯片，通過SPI通信協議發送12位數據控制D/A輸出電壓，由此調控高壓模塊產生相應高壓控制MCP增益。在FPGA實際工作時，首先通過接收由計算機通過串口傳送過來的、經串并轉換所得的并行數據進行處理，轉換為12位數據，再由FPGA經SPI通信協議傳送給D/A芯片，產生控制電壓，進而控制MCP增益。圖3所示為控制D/A的SPI程序仿真波形。另外，FPGA可發送四種增益掃描控制信號控制在MCP上加載的增益調制電壓，實現對MCP的增益調制。

圖3 控制D/A的SPI程序仿真波形

5 FPGA監控電路設計

圖4所示為FPGA監控電路模塊原理框圖。當FPGA發出采樣控制信號CS啟動A/D轉換，等待A/D轉換完成時，FPGA讀取采樣數據，并將接收到的數據存于緩存器中進行數據處理，通過一個乘法器和加法器可以將12位數據轉換成實際MCP電壓值或電流值，最后將數值經RS232串口發送給計算機，并顯示在用戶界面中。A/D轉換芯片選擇12位的ADS7816，模擬開關用來選擇采樣電壓或者電流，實現MCP靜態增益電壓值和電流值實時監控。ADS7816的參考電壓由專用基準芯片產生［6］。圖5為FPGA數據采樣和處理仿真波形圖。

圖4 FPGA監控設計

圖5 FPGA數據采樣和處理仿真波形

6 結束語

FPGA具有可編程和工作頻率高等特點，在需要經常性改變工作參數和功能的應用中，能極大地提高硬件電路研發的工作效率。本文使用FPGA實現了ICCD的核心部件-像增強器的部分功能設計，達到了預期目的，對ICCD的其他功能設計將是下一步的主要工作。

［1］ 宋述艷，陳波.新型圖像傳感器ICCD的原理及應用［J］.機械與電子，2007(19):436-437.

［2］ 劉繼琨，趙寶蕓.增強型CCD圖像傳感器［J］.半導體光電，1998，19(1):37-39.

［3］ 潘京生.微通道板及其主要特征［J］.應用光學，2004，25(5):25-29.

［4］ 徐江濤，張興社.微光像增強器的最新發展動向［J］.應用光學，2005，26(2):21-23.

［5］ 韓振興，陳思，邵沖，等.像增強器高速選通脈沖形成電路的設計與實現電光與控制［J］.2008，15(12):72-74.

［6］ 夏宇聞.Verilog數字系統設計教程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2003.