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　　电荷耦合器件（CCD）现在广泛应用于天文图像。传统的CCD读出较慢且在高帧率的情况下有很高的读出噪音，这限制了它在高时间分辨率天文学的应用[1]。21世纪初，英国的E2V公司和美国TI公司各自独立地研发了一种具有新型读出结构的CCD器件，即电子倍增CCD（ElectronMultiplyingChargeCoupledDevice），简记为EMCCD。这是新一代高质量微光成像器件。与传统的CCD相比，它采用了片上电子增益技术，利用片上增益寄存器使图像信息在电子转移过程中得到放大，这使得它在很高的读出速率下仍具有相对很低的读出噪声，能在微光源下高分辨率成像[2]。

　　摘要：近年来EMCCD被越来越多地用于天文观测，国内EMCCD相机的研制和观测也在加速。介绍了基于TI的EMCCDTC253相机的数字控制系统及其设计方法。首先对TC253以及模拟信号处理器AD9845B的工作原理及控制要求进行了分析。重点介绍了在QuartusⅡ的开发环境下，使用VHDL语言与FPGA对该图像采集系统的数字控制部分进行分析与设计过程，并给出系统仿真波形图。最后在所设计的硬件电路上进行了测试，给出了关键控制信号的实测波形。通过实测时钟波形与EMCCD器件要求波形的时序比较分析，得出了该实际系统对VHDL程序中信号时序的修正量，从而获得了满意的EMCCD驱动时钟。

　　关键字：CCD,成像系统,时序发生器,FPGA,VHDL语言

　　0引言

　　EMCCD的这些特性，使得它能对微弱光信号进行快速的成像。近年来EMCCD被越来越多地运用到了天文观测，国外研究人员采用E2V公司的EMCCD器件L3VISIONCCD设计的相机取得了极好的观测效果，并进行了光子技术成像实验[3?4]。而国内对天文用EMCCD相机的研制与应用还处于起步阶段[5]。目前，实验室正在研制一套基于EMCCD的二维天文光子计数实验成像系统，该成像系统可使用TI公司的EMCCD器件TC253和TC285作为图像传感器。

　　本文针对使用TC253器件构成的图像采集系统[6]，主要介绍EMCCD的数字控制方案和设计方法。由于硬件系统使用Altera公司EP3C16Q240C8NFPGA芯片，所以该数字系统是在AlteraQuartusⅡ8.0开发环境下采用VHDL语言来进行设计并实现整个系统的数字控制部分。本文阐述了该数字控制系统的设计思想以及VHDL的实现过程，给出了关键信号的仿真与实测波形，并对结果进行了分析。

　　1EMCCD图像传感器与模拟信号处理器的

　　控制要求

　　模拟信号处理器AD9845B是一款针对CCD应用的处理器AD9845A的升级版，亦称为模拟前端处理器（AFE）。它具有30MHz单通道结构，用于面阵CCD隔行扫描和逐行扫描信号的调理和采样[8]。根据其与CCD对应的时序关系，共需要设置6个时钟驱动信号，分别是相关双采样采集参考电平的时钟SHP、相关双采样采集数据信号电平的时钟SHD、读出数据时钟DATACLK、黑电平箝位时钟CLPOB、输入箝位时钟CLPDM以及消隐数据时钟PBLK[9]。6个驱动信号按照图2所示的时序进行设置，这与AD9845B数据手册所提供的时序稍有不同。

　　2数字系统总体设计思想

　　由EMCCD和ADC的数据手册并结合该项目的要求可知，该数字控制系统就是要实现EMCCD图像传感器在帧转移读出模式和ODB清零模式下的驱动时钟信号，以及在帧转移读出模式下，驱动ADC正常工作的时钟信号。帧转移读出模式有4种水平读出频率，分别为12.5MHz，6.25MHz，3.125MHz，1.5625MHz，标准读出频率为12.5MHz，另外三种读出频率，为了对比测试图像采集的效果而设置的。同时要求可以控制曝光积分时间，选择是否超越读出（Overscan）。根据VHDL语言的特点，采用顶层模块控制底层模块的方式，即以顶层逻辑控制各个底层逻辑的方式来实现该数字控制系统的功能。这种设计思想在实验室设计的RDCCD相机[10]、KAISS相机[11]中都使用过，控制效果良好，程序结构清晰。

　　在顶层模块中，定义了一些与底层模块连接的端口，以及数字控制系统与外部硬件连接的端口，设置了顶层模块与各底层模块端口匹配的方式。生成了各个模块需要的各种时钟信号。以及协调了帧转移读出模式与ODB清零模式的切换。

　　在底层模块中主要是两个子模块：ODB清零和帧转移读出。每个子模块都有其独立的输入时钟信号与输出端口，在相应模块被选中执行时能顺利完成各自任务，生成正确的输出时钟信号。

　　3数字系统的实现与仿真

　　该设计是在AlteraQuartusⅡ8.0的开发环境下，分别对顶层模块和底层模块进行VHDL编程设计与仿真的。下面将介绍各模块的具体设计、仿真过程和一些实现技巧。

　　3.1顶层模块的设计

　　3.2底层模块的设计

　　底层模块包含ODB清零子模块与帧转移读出子模块，有时亦称为ODB清零工作模式与帧转移读出工作模式。下面分别介绍这两个子模块的具体设计过程与仿真结果。

　　3.2.1ODB清零模式

　　3.2.2帧转移读出模式

　　根据TC253的数据手册，将该EMCCD器件的成像与帧转移读出模式划分为4个阶段，按顺序分别是清零阶段S1、曝光阶段S2、垂直转移阶段S3、水平输出阶段S4。在顶层生成的4个时钟信号，分别用作这4阶段的控制时钟，使之能够准确地形成并输出满足TC253所需的各信号。4实测结果分析与设计修正

　　5结语

　　通过对所用EMCCD器件TC253和模拟信号处理器AD9845B的分析，结合成像系统硬件的具体情况，采用顶层控制底层的VHDL模块设计方法，完成了基于FPGA的EMCCD数字控制系统的设计与实现工作。仿真和实测的信号波形在逻辑与时序两方面都完全达到了成像控制与图像采集系统的控制要求。这说明对基于TC253和AD9845B的EMCCD成像系统的分析及其时钟信号的VHDL设计方法是正确的。另外，在较高频率下，信号经过多级输出或驱动电路后，可能会出现时序偏差。采用实测的方法获得这个偏差，以此作为VHDL信号时序的修正量，实现了时钟驱动波形的正确输出。这也突显以VHDL进行FPGA逻辑与时序控制电路设计的优点。

　　参考文献

　　[1]TULLOCHSM，DHILLONVS.Ontheuseofelectron?multiplyingCCDsforastronomicalspectroscopy[J].Mon.Not.R.Astron.Soc.，2011，411（1）：211?225.

　　[2]MACKAYCD，STALEYTD.High?speed，photoncountingCCDcamerasforastronomy[J].SPIE，2010，7742：2?10.

　　[3]BASDENAG，HANIFFCA，MACKAYCD，etal.Anewphoton?countingspectrometerfortheCOAST[J].SPIE，2004，5491：677?685.