利用FPGA实现ICCD控制电路设计

吴丽娜，温文龙，徐向晏

(中国科学院西安光学精密机械研究所，瞬态光学与光子技术国家重点实验室，西安710119)

1 引言

像增强器是一种将微弱光信号经光电转换、电子倍增及电光转换而再现为增强信号的器件。ICCD正是以微光像增强器为核心，将像增强器经光纤锥与CCD探测器耦合而成。具有体积小、重量轻、耗电少、高解析度、高信噪比和较宽的光谱响应范围等优点，广泛用于夜视导航、微光监控、天文观测和生物工程等微光成像领域［1-2］。

ICCD的控制核心是控制像增强器［3-4］，传统上像增强器的控制电路多采用模拟、数字集成芯片或单片机。随着FPGA(现场可编程门阵列)的大规模应用，其价格已经不再成为应用的瓶颈，而且与模拟、数字集成芯片相比，FPGA具有集成度高，体积小，功能更改方便、快捷等优点;与单片机相比，FPGA具有速度高，可靠性好，抗干扰抗辐照，采用一次性固化生成纯硬件，完全避免了软件受干扰易丢失、跑飞等问题。在此介绍一种ICCD的核心器件—像增强器的FPGA控制电路的设计与实现。

2 FPGA控制系统原理

电路控制系统的组成框图如图1所示，主要由低压电源，高压电源，延时电路，选通快门电路［5］，增益调制电路，监控电路，FPGA控制单元，计算机等组成。计算机通过RS232串行口发送控制指令，FPGA控制单元接收到指令后根据指令内容，经片内固定逻辑实现相应的控制操作。主要实现以下功能:①为增强器提供静态高压电源，为控制系统提供所需低压电源;②提供光电同步信号，保证目标回光到来时，快门同时打开;③提供增强器所需的选通快门，快门宽度5ns-DC;④实现增强器的增益调整，并可在一定范围内对增益进行调制;⑤当出现强光及打火时，及时保护增强器不受损坏。

3 FPGA与计算机通信模块设计

FPGA与计算机的通信形式采用RS232异步通信技术。采用Maxim公司的MAX3221E芯片实现物理层接口电平转换。

图1 系统控制原理框图

根据异步通信协议:它以字符为单位进行传输，字符之间没有固定的时间间隔，而每个字符中各位以固定的时间传送。收、发双方采用在字符格式中设置起始位和停止位的方法取得同步。在一个有效字符正式发送前，发送器先发送一个起始位，然后发送有效字符位，在字符结束时再发送一个停止位，起始位至停止位构成一帧。在本设计中采用一位起始位(低电平有效)，八位数据位、一位奇校验位和一位停止位(高电平有效)。

波特率发生器主要由波特率设置锁存器和分频器组成。该系统采用50MHz时钟，波特率采样脉冲周期就为串行数据传输一位所用时间，根据设计对波特率周期设置数值，经计数器计数产生相应脉冲，产生波特率，如图2所示。例如:若设波特率值为9600，则波特率设置数为5207。

图2 波特率产生原理

当计算机向FPGA发送数据时，首先进行数据采样和校验。当FPGA检测到信号的下降沿时，接收数据开始，并置发送状态标志位为高电平，触发波特率发生器产生采样脉冲。每一位数据根据脉冲计数器随采样脉冲输出给缓存器，同时进行校验或判断。当接收到停止位(与此同时脉冲计数器计数到11)时，一帧数据传送完毕，数据被转换为八位并行数据，状态信号置为低电平，计数器清零。

当FPGA处于发送状态时，发送模块检测到状态信号为低电平，产生一高电平触发波特率发生器产生发送脉冲，发送模块根据脉冲计数器将并行数据转换为串行数据，同时加上开始位，校验位和停止位，完成发送过程，计数器清零。

4 MCP增益控制电路设计

MCP增益控制模式分为两种:动态(可变增益控制模式)和静态(恒定增益模式)。当FPGA设置像增强器强制关断保护控制信号为0，动静态信号设置为0时，像增强器工作在可变增益模式;当FPGA对像增强器强制关断保护控制信号设置为0，动静态信号设置为1时，使像增强器工作在恒定增益模式，此时只能通过FPGA发送12位的串行数据给D/A控制MCP增益，而无法加载扫描电压。该FPGA开发板采用AD5620数模转换芯片，通过SPI通信协议发送12位数据控制D/A输出电压，由此调控高压模块产生相应高压控制MCP增益。在FPGA实际工作时，首先通过接收由计算机通过串口传送过来的、经串并转换所得的并行数据进行处理，转换为12位数据，再由FPGA经SPI通信协议传送给D/A芯片，产生控制电压，进而控制MCP增益。图3所示为控制D/A的SPI程序仿真波形。另外，FPGA可发送四种增益扫描控制信号控制在MCP上加载的增益调制电压，实现对MCP的增益调制。

图3 控制D/A的SPI程序仿真波形

5 FPGA监控电路设计

图4所示为FPGA监控电路模块原理框图。当FPGA发出采样控制信号CS启动A/D转换，等待A/D转换完成时，FPGA读取采样数据，并将接收到的数据存于缓存器中进行数据处理，通过一个乘法器和加法器可以将12位数据转换成实际MCP电压值或电流值，最后将数值经RS232串口发送给计算机，并显示在用户界面中。A/D转换芯片选择12位的ADS7816，模拟开关用来选择采样电压或者电流，实现MCP静态增益电压值和电流值实时监控。ADS7816的参考电压由专用基准芯片产生［6］。图5为FPGA数据采样和处理仿真波形图。

图4 FPGA监控设计

图5 FPGA数据采样和处理仿真波形

6 结束语

FPGA具有可编程和工作频率高等特点，在需要经常性改变工作参数和功能的应用中，能极大地提高硬件电路研发的工作效率。本文使用FPGA实现了ICCD的核心部件-像增强器的部分功能设计，达到了预期目的，对ICCD的其他功能设计将是下一步的主要工作。

［1］ 宋述艳，陈波.新型图像传感器ICCD的原理及应用［J］.机械与电子，2007(19):436-437.

［2］ 刘继琨，赵宝芸.增强型CCD图像传感器［J］.半导体光电，1998，19(1):37-39.

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

［4］ 徐江涛，张兴社.微光像增强器的最新发展动向［J］.应用光学，2005，26(2):21-23.

［5］ 韩振兴，陈思，邵冲，等.像增强器高速选通脉冲形成电路的设计与实现电光与控制［J］.2008，15(12):72-74.

［6］ 夏宇闻.Verilog数字系统设计教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2003.