南极望远镜中CCD驱动的控制系统技术方案

南极望远镜中CCD驱动的控制系统，由FPGA和集成IC结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，特征是FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。优化方案时序脉冲产生电路FPGA通过IIC总线配置SAA8103为CCD芯片提供脉冲信号。本发明专利技术弥补了现有技术不能适用于各款同型号CCD驱动的不足；本发明专利技术的南极天文望远镜KDUST的CCD驱动控制系统，能够为南极望远镜的CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。当系统采用不同型号的CCD而要求产生不同的时序时,只需重新编写配置文件写入FPGA,不必对硬件进行重新设计。

【技术实现步骤摘要】
南极望远镜中CCD驱动的控制系统
本专利技术涉及一种控制装置，具体涉及一种南极望远镜中C⑶驱动的控制系统。
技术介绍
20世纪90年代以来，随着遥感成像技术和计算机技术的高速发展，基于面阵(XD或线阵CCD的数字成像技术日渐成熟，推动了摄影测量相机由传统的胶片记录方式跨入到数字记录方式，逐渐实现了遥感测绘流程的全数字化。数字摄影的发展主要随CCD技术的发展而进步:可以分为线阵CCD相机和面阵CCD相机两个阶段。面阵CCD相机和线阵CCD相机相比，各有特点。面阵相机几何性能好，对平台稳定度要求低，应用处理便捷，但实现大的面阵CCD像元规模技术难度大，限制了高分辨率对地观测应用。线阵相机技术相对成熟，已在星载系统得到广泛应用，易于实现宽覆盖和较高分辨率；但对平台要求高，需要高精度的测姿定位设备支持，数据后处理较为复杂。但是，当前国内市场上销售的CCD产品大多数是从日本、加拿大、美国进口的，国内尚无成熟的大面阵CCD产品。国外的大面阵CCD不仅价格昂贵、用途单一，而且在外部触发、曝光时间调节的灵活性方面存在不足。因此，剖析国外CCD产品的关键技术，突破CCD产品的技术难点，开发具有自主知识产权的高性价比的国产化产品，成为众多研究人员的努力目标。南极是整个地球上最佳的天文观测台址，它有99%是晴天，冬季全是黑夜，没有太阳光、尘埃、水气干扰等优点。南极望远镜KDUST的CCD驱动研究对我国以后建设南极天文台有很大的帮助。 目前大型望远镜CCD采用的驱动控制系统都是根据各自需求单独研发的。当系统采用不同型号的CCD而要求产生不同的时序时，不仅需要重新编写配置文件，而且需要对硬件进行重新设计。现有技术中尚未出现适用于各款同型号CCD的驱动控制系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统，该系统要解决的技术问题是:研究南极望远镜KDUST (南极暗宇宙巡天望远镜)的CCD驱动控制系统，该系统能够为南极望远镜的CCD正常工作提供正确的供电和时序驱动信号。当系统采用不同型号的(XD而要求产生不同的时序时，只需重新编写配置文件写入FPGA，而不必对硬件进行重新设计。 完成上述专利技术任务的技术方案是:一种南极望远镜中C⑶驱动的控制系统，该系统由FPGA (现场可编程逻辑门阵列)和集成1C (集成电路)结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，其特征在于:所述的FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成1C之间的通信连接，配置各个1C的初始参数。 工作时序从功能上可以分为巾贞转移时序(Frame timing),行转移时序(Linetiming)，像素水平读出时序(Pixel timing)。巾贞转移时序指(XD将一巾贞图像转移输出的时序，行转移时序指一行像素在时钟的驱动下完成从存储区到水平移位寄存器转移和逐位从水平移位寄存器读出的时序，像素转移时序指在一行像素在C时钟驱动下从水平移位寄存器中逐位水平读出的时序。 CCD时序信号是一组周期性的、关系比较复杂的脉冲信号，它影响CCD器件的电荷转移效率、信噪比等参数，因此精确的驱动时序是CXD器件正常工作的保证。由于CXD种类很多，不同生产商CCD器件的驱动时序往往是不同的，CCD时序信号产生的方法主要有直接数字电路驱动法、EPROM驱动法、微处理器驱动法、可编程逻辑器件驱动法和专用集成芯片驱动法。 早期几乎都使用数字逻辑电路来产生时序信号，为满足时序设计要求，计数器使用同步计数器，反相的两相时钟应由同一个触发器的正反两个输出端同时输出；组合逻辑设计时应该避免逻辑竞争；为产生各时序信号，计数主时钟应该是像素时钟的整数倍。此方法虽然成本低廉、设计简单，但体积较大，电路集成度较低，逻辑设计复杂，偏重于硬件的实现，并且器件延时较大，电路调试繁杂，灵活性较差。 现在普遍使用的是单纯的使用普通数字芯片实现驱动控制电路，或者直接用可编程逻辑器件生成驱动脉冲，再另加电压驱动芯片和配套电路，造成CCD外围电路复杂，不同大型望远镜间的可移植性较差。本专利技术的目的是在南极望远镜CCD驱动控制系统的基础上，提供一种结合集成电路和FPGA的控制方案，简化电路的同时实现在不同望远镜CCD间的较好的可移植性。 驱动控制电路包含了读出CCD的所有模拟电路，这其中包含偏压产生器，时钟驱动电路，前置放大器，CDS (相关双采样)电路以及模数转换器。 CXD成像器件是CXD成像系统的核心器件，其性能在很大程度上决定了 CXD成像系统的性能，而CCD探测器是“被动”器件，其需要驱动电路提供模拟、数字信号才能正常工作，因此驱动电路性能的优劣又在很大程度上决定了 CCD性能能否充分发挥。驱动电路技术便成为CCD成像系统中的一个关键技术。模拟电压是CCD正常工作必不可少的信号，而且CCD的电荷转移效率对模拟电压敏感，因此高性能驱动电路至少需要具备低噪声的模拟电压。CCD阵列读出电路中数字驱动时序对电荷的转移效率、信号信噪比影响较大，而数字信号同样由外部驱动电路提供，因此提供高精度数字信号也是高性能驱动电路的一个重要内容。 驱动由驱动板和驱动程序两部分组成。驱动控制电路以FPGA结合本专利技术提供的电路作为时序发生器，FPGA以其规模大、系统可编程、速度快、可靠性高、实现硬件的软件化设计等优势成为数字系统设计的主流，非常适合CCD时序电路的设计。结合VHDL HDL(硬件)语言进行驱动电路设计，对频率和时序要求都很高的驱动控制电路来说，具有高集成度、高可靠性、高速度、开发周期短和调试灵活方便等优点。CCD驱动电平范围较大，电平复杂，垂直驱动时钟有三电平变化，要找到合适的驱动芯片，满足电平变化的要求，水平驱动要求工作速度快，上升沿和下降沿时间短，驱动能力强，并且满足负电平输出的要求。用FPGA配合本专利技术提供的集成电路作为时序发生器，编写CCD驱动时序，CCD所需要的偏置电压也有驱动板产生，使用LDO (低压差线性稳压芯片)电源芯片，降低噪声，尽量避免数字电源芯片和模拟电源芯片之间的干扰。CXD偏置电压有上电时序，可以通过FPGA控制上电先后。 驱动电路将被安装在望远镜的主焦点处，此处空间被限制，来自电子设备的热量应保持很低以避免空气动荡影响。只要其他需求得到满足，驱动电路能利用现有商业化的分离器件设计达到最小化，最低功耗。 在CXD面阵上加上合适的偏置电压以及驱动时序后，便可以通过CXD的模拟视频管输出脚读出模拟视频信号，该信号叠加在直流电平上，需经过耦合电容读出有效的视频信号。除此之外在还需在AD转换之前对视频信号进行CDS (相关双采样)采样，自动增益控制，暗电平钳位等处理。经过上述处理步骤之后可进行模数转换，模数转换的位数越高，可识别的图像越精细。通常采用14位的模数转换芯片(如AD9945)。 (XD和驱动电路板之间由一块易弯曲的PCB板连接，这块PCB板的镀铜痕迹足够的窄，能够保证驱动电路板与CCD之间的热隔离。驱动电路板之间的所有信号都由LVDS (低压差分信号)相连接。只有数字信号在真空环境和外部大气中传输。它有利于模拟电路性能的可靠性，这意味着每个模拟电路都不会被前端电路板外部的电路影响。偏压发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种南极望远镜中CCD驱动的控制系统，该系统由FPGA和集成IC结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，其特征在于：所述的FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。

【技术特征摘要】
1.一种南极望远镜中CXD驱动的控制系统，该系统由FPGA和集成IC结合，由时序脉冲产生电路、水平驱动电路、垂直驱动电路和偏置电压电路组成，其特征在于:所述的FPGA通过硬件语言编程实现微控制器与集成IC之间的通信连接，配置各个IC的初始参数。2.根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的时序脉冲产生电路是FPGA是通过IIC总线配置SAA8103为CXD芯片提供脉冲信号。3.根据权利要求2所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的时序脉冲产生电路，其外围电路除了电源引脚需要加去耦电路外，直接和相关的芯片引脚相连；SAA8103内部具有一个振荡器，支持的频率范围从6MHz到28MHz，同时外接一个外部晶振，根据所述CCD的输出频率，选取SAA8103的外部晶振的频率为25MHz ;图像处理同步信号HD、VD接到后端的图像处理单元；该部分电路供电为3.3V的模拟供电和3.3V数字供电，同时在设计PCB时要将数字地和模拟地分离。4.根据权利要求1所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的水平驱动电路由IC——SAA8103输出水平驱动脉冲电平，输入到74ACT04反相器中，74ACT04加上相应的供电电压，使输出的水平时钟的幅度满足CCD的驱动要求。5.根据权利要求4所述的南极望远镜中CCD驱动的控制系统，其特征在于，所述的水平驱动电路是对三相水平转移时钟Cl、C2、C3，以及SG、RG这五相时钟进行驱动，使其电压水平满足面阵CCD的水平驱动要求；所述的五相时钟都是SAAS103的高频信号输出，频率都为25MHz ；SAA...

【专利技术属性】
技术研发人员：戚永军，张越，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32