0 引言
電荷耦合器件(charge coupled devices CCD)作為一種高性能的光電圖像傳感器，具有光譜響應寬、線性好、動態范圍寬、噪聲低、靈敏度高、實時傳輸和電荷掃描等多方面優點，目前已廣泛應用于圖像傳感和非接觸測量領域。近年來，利用可編程邏輯器件實現面陣CCD的驅動已經成為眾多科研開發者的共識，相關工程應用研究課題也如雨后春筍般出現。然而，目前國內基于面陣CCD驅動方面的研究主要針對幀轉移型面陣CCD的驅動時序的實現方面，對行間轉移型面陣CCD驅動的研究很少，本文給出了行間轉移型面陣CCD數據采集系統完整的軟硬件設計。

1 面陣CCD圖像采集系統組成
整個系統的原理框圖如圖1所示，系統由圖像傳感器、智能電源模塊、時序產生及驅動模塊、視頻信號處理模塊和USB傳輸接口等部分組成。系統在上電時，智能電源模塊產生所需的各種電壓并按不同的順序供給CCD芯片，然后給其它模塊供電。物體透過光學系統將其影像投影于面陣CCD的感光區域上，CCD在驅動脈沖的作用下進行光電轉換，將物體的光信號轉變成視頻信號傳給視頻信號處理模塊，視頻信號處理模塊對視頻信號進行前置放大、抑制干擾、濾除噪聲以及數模轉換后，輸出數字圖像信號。轉換的數字圖像信號經USB傳輸接口輸出到電腦上，為后續CCD信號的分析處理提供了可靠依據。系統的核心是時序產生及驅動模塊，CCD正常工作所需的驅動脈沖、視頻信號處理模塊所需的采樣控制脈沖、USB傳輸所需的同步信號以及智能電源模塊上電順序的控制都由時序產生及驅動模塊提供。

2 行間轉移CCD驅動時序發生器設計
2．1 ICX098AK芯片
按電荷包轉移方式的不同，面陣CCD可以分為：幀轉移型(FT：Frame Transfer)、行間轉移型(IT：InterlineTransfer)、幀行間轉移型(FIT：Frame Interline Transfer)。攝像機或數碼相機最常使用的方式為行間轉移方式，行間轉移CCD是幀轉移CCD的發展，也是目前市場上的主流產品。在構造上，光敏區每隔一列，就有一列遮光的垂直存儲單元。故而，每次電荷包的讀出轉移只需一次并行移動即可快速完成，從而有效降低了幀轉移型CCD產生的垂直拖影噪聲。行間轉移CCD通常具有電子快門功能，且電子快門速度可達到毫秒級別，串擾非常小。
系統選用Sony公司的ICX098AK芯片作為圖像傳感器，該芯片是一款具有可變電子快門的行間轉移型彩色面陣CCD，即使無機械快門，也能實現高分辨率全幀圖像轉移：具有較低的暗電流與極好的Anti-B1ooming(抗暈光)特征。濾色器為Bayer排列方式。有效像元數為659(H)×494(V)，像敏單元尺寸為5．6μm(H)×5．6μm(V)。水平驅動頻率為12．27MHz。它有兩種工作模式，逐行掃描模式和隔行掃描模式(監控模式)。其寄存器特征及管腳定義如圖2所示。

2．2 驅動時序分析
不同于幀轉移方式，行間轉移CCD在構造上不需要存儲區，主要由光電二極管，垂直移位寄存器，水平移位寄存器和輸出放大器組成。ICX098AK的一個工作周期分為三個階段：感光階段、讀出階段和轉移階段。在場正程期間像敏區進行光積分(感光階段)，這個期問轉移柵為低電平，轉移柵下的勢壘將像敏單元的勢阱與讀出寄存器的勢阱隔開。場正程結束(光積分時間結束)后，進入場逆程。在場逆程期間轉移柵上產生一個正脈沖即讀出脈沖，將像敏區的信號電荷并行地轉移到垂直寄存器中，轉移過程結束后，光敏單元與讀出寄存器又被隔開。在下一個場正程期間，一方面感光陣列進行光積分，產生新的信號電荷；同時在行逆程期間，上一場轉移到垂直寄存器的光生電荷在垂直驅動脈沖的作用下一行行地向水平讀出寄存器中轉移。在行正程期間，水平移位寄存器受水平驅動脈沖的控制快速地將電荷包經輸出放大器串行輸出。在輸出端得到與光學圖像對應的一行行的視頻信號。
2．3 基于CPLD的CCD時序發生器的實現
面陣CCD器件應用最重要的環節是驅動電路的設計與實現。CCD芯片所對應的原廠生產的專用驅動芯片雖然集成度高、可靠性好，但是價格昂貴且功能固定、通用性較差。本系統選用高速度、多端口的可編程邏輯器件CPLD作為面陣CCD的時序發生器，通過硬件描述語言VHDL，的輸入方式實現數字時序的多端口并行且高相位精度的輸出，不僅有效地控制了產品開發的成本，而且極大的提高了同類型產品開發的效率。