吳麗娜，溫文龍，徐向晏

(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710119)

1 引言

像增強(qiáng)器是一種將微弱光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、電子倍增及電光轉(zhuǎn)換而再現(xiàn)為增強(qiáng)信號的器件。ICCD正是以微光像增強(qiáng)器為核心，將像增強(qiáng)器經(jīng)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(yīng)范圍等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于夜視導(dǎo)航、微光監(jiān)控、天文觀測和生物工程等微光成像領(lǐng)域［1-2］。

ICCD的控制核心是控制像增強(qiáng)器［3-4］，傳統(tǒng)上像增強(qiáng)器的控制電路多采用模擬、數(shù)字集成芯片或單片機(jī)。隨著FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的大規(guī)模應(yīng)用，其價(jià)格已經(jīng)不再成為應(yīng)用的瓶頸，而且與模擬、數(shù)字集成芯片相比，F(xiàn)PGA具有集成度高，體積小，功能更改方便、快捷等優(yōu)點(diǎn);與單片機(jī)相比，F(xiàn)PGA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(qiáng)器的FPGA控制電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 FPGA控制系統(tǒng)原理

電路控制系統(tǒng)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(diào)制電路，監(jiān)控電路，F(xiàn)PGA控制單元，計(jì)算機(jī)等組成。計(jì)算機(jī)通過RS232串行口發(fā)送控制指令，F(xiàn)PGA控制單元接收到指令后根據(jù)指令內(nèi)容，經(jīng)片內(nèi)固定邏輯實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制操作。主要實(shí)現(xiàn)以下功能:①為增強(qiáng)器提供靜態(tài)高壓電源，為控制系統(tǒng)提供所需低壓電源;②提供光電同步信號，保證目標(biāo)回光到來時，快門同時打開;③提供增強(qiáng)器所需的選通快門，快門寬度5ns-DC;④實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)器的增益調(diào)整，并可在一定范圍內(nèi)對增益進(jìn)行調(diào)制;⑤當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)光及打火時，及時保護(hù)增強(qiáng)器不受損壞。

3 FPGA與計(jì)算機(jī)通信模塊設(shè)計(jì)

FPGA與計(jì)算機(jī)的通信形式采用RS232異步通信技術(shù)。采用Maxim公司的MAX3221E芯片實(shí)現(xiàn)物理層接口電平轉(zhuǎn)換。

圖1 系統(tǒng)控制原理框圖

根據(jù)異步通信協(xié)議:它以字符為單位進(jìn)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(fā)雙方采用在字符格式中設(shè)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(fā)送前，發(fā)送器先發(fā)送一個起始位，然后發(fā)送有效字符位，在字符結(jié)束時再發(fā)送一個停止位，起始位至停止位構(gòu)成一幀。在本設(shè)計(jì)中采用一位起始位(低電平有效)，八位數(shù)據(jù)位、一位奇校驗(yàn)位和一位停止位(高電平有效)。

波特率發(fā)生器主要由波特率設(shè)置鎖存器和分頻器組成。該系統(tǒng)采用50MHz時鐘，波特率采樣脈沖周期就為串行數(shù)據(jù)傳輸一位所用時間，根據(jù)設(shè)計(jì)對波特率周期設(shè)置數(shù)值，經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)脈沖，產(chǎn)生波特率，如圖2所示。例如:若設(shè)波特率值為9600，則波特率設(shè)置數(shù)為5207。

圖2 波特率產(chǎn)生原理

當(dāng)計(jì)算機(jī)向FPGA發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和校驗(yàn)。當(dāng)FPGA檢測到信號的下降沿時，接收數(shù)據(jù)開始，并置發(fā)送狀態(tài)標(biāo)志位為高電平，觸發(fā)波特率發(fā)生器產(chǎn)生采樣脈沖。每一位數(shù)據(jù)根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)器隨采樣脈沖輸出給緩存器，同時進(jìn)行校驗(yàn)或判斷。當(dāng)接收到停止位(與此同時脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到11)時，一幀數(shù)據(jù)傳送完畢，數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為八位并行數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號置為低電平，計(jì)數(shù)器清零。

當(dāng)FPGA處于發(fā)送狀態(tài)時，發(fā)送模塊檢測到狀態(tài)信號為低電平，產(chǎn)生一高電平觸發(fā)波特率發(fā)生器產(chǎn)生發(fā)送脈沖，發(fā)送模塊根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，同時加上開始位，校驗(yàn)位和停止位，完成發(fā)送過程，計(jì)數(shù)器清零。

4 MCP增益控制電路設(shè)計(jì)

MCP增益控制模式分為兩種:動態(tài)(可變增益控制模式)和靜態(tài)(恒定增益模式)。當(dāng)FPGA設(shè)置像增強(qiáng)器強(qiáng)制關(guān)斷保護(hù)控制信號為0，動靜態(tài)信號設(shè)置為0時，像增強(qiáng)器工作在可變增益模式;當(dāng)FPGA對像增強(qiáng)器強(qiáng)制關(guān)斷保護(hù)控制信號設(shè)置為0，動靜態(tài)信號設(shè)置為1時，使像增強(qiáng)器工作在恒定增益模式，此時只能通過FPGA發(fā)送12位的串行數(shù)據(jù)給D/A控制MCP增益，而無法加載掃描電壓。該FPGA開發(fā)板采用AD5620數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，通過SPI通信協(xié)議發(fā)送12位數(shù)據(jù)控制D/A輸出電壓，由此調(diào)控高壓模塊產(chǎn)生相應(yīng)高壓控制MCP增益。在FPGA實(shí)際工作時，首先通過接收由計(jì)算機(jī)通過串口傳送過來的、經(jīng)串并轉(zhuǎn)換所得的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為12位數(shù)據(jù)，再由FPGA經(jīng)SPI通信協(xié)議傳送給D/A芯片，產(chǎn)生控制電壓，進(jìn)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，F(xiàn)PGA可發(fā)送四種增益掃描控制信號控制在MCP上加載的增益調(diào)制電壓，實(shí)現(xiàn)對MCP的增益調(diào)制。

圖3 控制D/A的SPI程序仿真波形

5 FPGA監(jiān)控電路設(shè)計(jì)

圖4所示為FPGA監(jiān)控電路模塊原理框圖。當(dāng)FPGA發(fā)出采樣控制信號CS啟動A/D轉(zhuǎn)換，等待A/D轉(zhuǎn)換完成時，F(xiàn)PGA讀取采樣數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)存于緩存器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過一個乘法器和加法器可以將12位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實(shí)際MCP電壓值或電流值，最后將數(shù)值經(jīng)RS232串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)，并顯示在用戶界面中。A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇12位的ADS7816，模擬開關(guān)用來選擇采樣電壓或者電流，實(shí)現(xiàn)MCP靜態(tài)增益電壓值和電流值實(shí)時監(jiān)控。ADS7816的參考電壓由專用基準(zhǔn)芯片產(chǎn)生［6］。圖5為FPGA數(shù)據(jù)采樣和處理仿真波形圖。

圖4 FPGA監(jiān)控設(shè)計(jì)

圖5 FPGA數(shù)據(jù)采樣和處理仿真波形

6 結(jié)束語

FPGA具有可編程和工作頻率高等特點(diǎn)，在需要經(jīng)常性改變工作參數(shù)和功能的應(yīng)用中，能極大地提高硬件電路研發(fā)的工作效率。本文使用FPGA實(shí)現(xiàn)了ICCD的核心部件-像增強(qiáng)器的部分功能設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期目的，對ICCD的其他功能設(shè)計(jì)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(yīng)用［J］.機(jī)械與電子，2007(19):436-437.

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

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

［4］ 徐江濤，張興社.微光像增強(qiáng)器的最新發(fā)展動向［J］.應(yīng)用光學(xué)，2005，26(2):21-23.

［5］ 韓振興，陳思，邵沖，等.像增強(qiáng)器高速選通脈沖形成電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)電光與控制［J］.2008，15(12):72-74.

［6］ 夏宇聞.Verilog數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2003.