CMOS" title="CMOS">CMOS傳感器" title="圖像傳感器">圖像傳感器產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代,，由于當(dāng)時CMOS工藝的制造技術(shù)不高,，以至于傳感器在應(yīng)用中的雜訊較大，商品化的進(jìn)程一直很慢,。至今,，隨著工藝的不斷提高，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大,，涉及到數(shù)碼產(chǎn)品,、通訊、工業(yè),，醫(yī)療等各領(lǐng)域,。與CCD相比，CMOS圖像傳感器具有體積小,，功耗低,，成本低等特點(diǎn)。Cypress公司的CMOS圖像傳感器IBIS5" title="IBIS5">IBIS5-B-1300是一款高性能、大動態(tài)范圍的圖像傳感器,。圖像傳感器的正常工作需要有正確的驅(qū)動時序信號,，本文就圖像傳感器IBIS5-B-1300，給出采用VHDL語言設(shè)計(jì)的驅(qū)動時序和仿真結(jié)果,。

　　1 IBIS5-B-1300圖像傳感器

　　1．1 芯片簡介

　　Cypress公司的IBIS5-B-1300將模擬圖像獲取,、數(shù)字化和數(shù)字信號處理的功能集成在單一芯片中，是一款高性能的CMOS圖像傳感器,。這款130萬像素(1 280×1 024)的圖像傳感器可以采用SXGA或VGA格式輸出,，幀頻可達(dá)27．5 f／s(1 280×1 024)或106 f／s(640×480)。

　　其主要特點(diǎn)如下：

　　(1)6．7μm的高填充因子像素單元,。它可使器件的靈敏度較高,，噪聲較小。

　　(2)高的動態(tài)范圍(單斜率積分下為64 dB),。當(dāng)采用雙斜率積分或多斜率積分時,，動態(tài)范圍可進(jìn)一步提高。

　　(3)片載可調(diào)整增益和偏置的輸出放大器,。它能使信號的抖動限制在片載10 b ADC的輸入范圍之內(nèi)。

　　(4)片載40 MHz的10 b ADC,。它可直接對輸出模擬信號進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換,，該ADC在電氣上與圖像傳感器分離，如果需要,，可選擇不經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換而直接輸出模擬信號,。

　　(5)隨機(jī)開窗模式和亞采樣模式。隨機(jī)開窗模式可以只對感興趣的區(qū)域進(jìn)行讀出,；亞采樣模式可以很好地滿足圖像壓縮的需要,。

　　(6)片載時序與控制邏輯序列發(fā)生器、內(nèi)部寄存器,。它可使得設(shè)計(jì)者用較少的信號來控制傳感器的工作,。

　　1．2 工作原理

　　IBIS5-B-1300內(nèi)部有12個寄存器，提供傳感器工作所需的參數(shù)及工作方式,。對寄存器寫入的數(shù)據(jù)決定了傳感器的工作狀態(tài),。寄存器的數(shù)據(jù)寫入接口有3種：并行接口、串行三線接口,、串行兩線接口,。可通過芯片的IF_MODE和SER_MODE管腳接不同的值來選擇不同的數(shù)據(jù)接口模式(如表1所示),。

　　并行接口使用16 b并行輸入來載入新的寄存器值,。串行3線接口(或串轉(zhuǎn)并接口)使用串行接口將數(shù)據(jù)移入寄存器緩沖器，當(dāng)完整的數(shù)據(jù)字移入寄存器緩沖器時，數(shù)據(jù)字才被載入當(dāng)前正在編碼的寄存器,。串行2線是一個單向的接口,，本文暫不做分析。

　　IBIS5-B-1300具有兩種快門方式：卷簾快門和同步快門,，用寄存器(0000)的bitO進(jìn)行設(shè)定,，“1”為卷簾快門，“0”為同步快門,。時序如圖1,，圖2所示。

　　在卷簾快門模式下,，幀頻Frame period=(Nr．Lines×(RBT+Pixel Period*Nr．Pixels)),。

　　在同步快門模式下，幀頻Frame period="Tint"+Tread out="Tint"+(Nr．Lines×(RBT+Pixel Period×Nr．Pixels)),。其中,，Tint為積分(曝光)時間；Nr．Lines為每幀讀出的行數(shù),；Nr．Pixels為每行讀出的像素?cái)?shù),；RBT為行空白時間(典型值為3．5 ms)；Pixel Period為1／40 MHz="25" ns,。

　　卷簾快門中有兩個y方向的移位寄存器,，一個指向正在被讀出的行，另一個指向正在被復(fù)位的行,，兩個指針由同一時鐘y_clock(行時鐘)驅(qū)動,，它們之間的差值代表了光積分時間。在卷簾快門模式下,，像素的讀出和復(fù)位同時進(jìn)行,，每行像素的復(fù)位和讀出是順序進(jìn)行的(見圖3)。像素的積分時間可以通過寄存器INT_TIME來修改,。在這種模式下,，像素在不同的時刻感光，因而在采集動態(tài)圖像時會產(chǎn)生模糊,。

　　在同步快門模式下,，所有像素的光積分在同一時刻進(jìn)行的。所有像素同時被復(fù)位,，在經(jīng)過光積分后,，像素的值被存儲在每個像素的存儲節(jié)點(diǎn)上，然后逐行依次讀出,。像素的光積分和讀出是串行的,，在像素讀出時，積分被禁止，因而可以避免卷簾快門所產(chǎn)生的動態(tài)圖像模糊的問題,。此外,，同步快門支持多斜率積分，可獲得比卷簾快門更高的動態(tài)范圍,。

　　綜上分析,，在使用這款成像器芯片時，對快門方式要根據(jù)應(yīng)用的場合進(jìn)行選擇,，在對快速運(yùn)動的物體進(jìn)行捕獲或要求有高的動態(tài)范圍時應(yīng)選擇同步快門,；而在對圖像的幀速率要求較高或要對圖像進(jìn)行連續(xù)采集時應(yīng)選擇卷簾快門。

　　2 基于FPGA" title="FPGA">FPGA的CMOS控制時序的設(shè)計(jì)

　　2．1 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA

　　隨著集成電路的發(fā)展,，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷V泛用于電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它具有功耗低,，可靠性高的特點(diǎn),，同時大大減小了電路板的尺寸。FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了FPGA在時序設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性,。該設(shè)計(jì)選用Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3$50作為硬件設(shè)計(jì)平臺,。Spar-tan3基于VirtexⅡFPGA架構(gòu)，采用90 nm技術(shù),，8層金屬工藝,，內(nèi)嵌硬核乘法器和數(shù)字時鐘管理模塊。從結(jié)構(gòu)上看,，它將邏輯、存儲器,、數(shù)字運(yùn)算,、數(shù)字處理器、I／O以及系統(tǒng)管理資源完美地結(jié)合在一起,，使之具有更高層次,、更廣泛的應(yīng)用。

　　2．2 控制時序的設(shè)計(jì)

　　該設(shè)計(jì)采用VHDL硬件描述語言,，根據(jù)自頂向下的設(shè)計(jì)方法,，將時序控制部分分為三個模塊：復(fù)位模塊、寄存器配置模塊和快門模塊,。由于寄存器有兩種配置方式,，快門模式也有兩種，因而后兩部分都可以再細(xì)分為兩個小模塊,。三個大的模塊有嚴(yán)格的先后關(guān)系,，必須在前一模塊已完成后，才可開始后一模塊。圖4顯示模塊的劃分及其關(guān)系,。

　　復(fù)位模塊是用來產(chǎn)生圖像傳感器所需的SYS_RE_SET信號,，使傳感器正常復(fù)位，內(nèi)部寄存器清零,，為寄存器的配置做好準(zhǔn)備,。

　　寄存器配置模塊是用來配置圖像傳感器內(nèi)部的12個寄存器，提供傳感器工作所需的參數(shù)和方式,。其中,，參數(shù)有積分時間、積分方式(單斜率或多斜率),、X序列發(fā)生器的時鐘間隔,、SS序列發(fā)生器的時鐘間隔、亞采樣方式,、開窗位置及大小等,。

　　快門模塊用于產(chǎn)生傳感器工作所需的一些控制信號，針對快門方式的不同給出所需的時序控制信號,。在同步快門的設(shè)計(jì)中,，該設(shè)計(jì)采用單斜率積分，在此設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上多斜率積分容易實(shí)現(xiàn),。

　　該設(shè)計(jì)采用VHDL對各模塊時序進(jìn)行編程,。其中，快門模塊使用狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(圖5顯示了卷簾模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖,，圖6顯示了同步快門的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖),。全局時鐘和ADC時鐘采用DCM即數(shù)字時鐘管理單元來實(shí)現(xiàn)。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　3．1 仿真結(jié)果

　　時序控制電路設(shè)計(jì)完畢后,，需要對各部分進(jìn)行功能仿真,、邏輯綜合以及綜合后仿真，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行綜合,、布局布線,，完成時序仿真。對各模塊編程并仿真通過后,，將各模塊加載到主函數(shù)top中,，采用并行的寄存器配置方式，對卷簾和同步兩種快門方式進(jìn)行仿真,，在Modelsim中的仿真結(jié)果如圖7,，圖8所示。

　　3．2 成像結(jié)果

　　將此驅(qū)動時序應(yīng)用于相機(jī)系統(tǒng),，在全幀輸出模式(1 280×1 024)下,，對鑒別率靶和靜物進(jìn)行拍攝,，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9，圖10所示,。由所拍攝結(jié)果可以看出,，圖像清晰穩(wěn)定，無明顯變形,，CMOS圖像傳感器滿足了成像的需求,。

　　4 結(jié)語

　　圖像傳感器驅(qū)動時序的正確與否對其能否正常工作起著決定性的作用。本文在分析CMOS圖像傳感器IBIS5-B-1300工作時序的基礎(chǔ)上,，設(shè)計(jì)了兩種寄存器配置方案和兩種快門方式,，并用FPGA內(nèi)嵌的數(shù)字時鐘管理單元(DCM)完成了系統(tǒng)時鐘和ACD時鐘的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，所設(shè)計(jì)的驅(qū)動時序可以滿足該圖像傳感器的驅(qū)動要求,。