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CMOS圖像敏感器是近年來(lái)興起的一類(lèi)固態(tài)圖像傳感器。CMOS圖像敏感器具有低成本、低功耗(是CCD耗的1/1000~1/100)、簡(jiǎn)單的數字接口、隨機訪(fǎng)問(wèn)、運行簡(jiǎn)易(單一的CMOS兼容電池供給)、高速率(可大于1000幀／秒)、體積小以及通過(guò)片上信號處理電路可以實(shí)現智能處理功能等特點(diǎn)而得到廣泛應用。有些CMOS圖像敏感器具有標準的I2C總線(xiàn)接口，可方便應用到系統中。有些沒(méi)有這類(lèi)總線(xiàn)接口電路的專(zhuān)用CMOS圖像敏感器需要增加外部驅動(dòng)電路。由于CMOS敏感器的驅動(dòng)信號絕大部分是數字信號，因此可采用FPCA通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言編程產(chǎn)生驅動(dòng)時(shí)序信號。Verilog HDL語(yǔ)言是IEEE標準的用于邏輯設計的硬件描述語(yǔ)言，具有廣泛的邏輯綜合工具支持，簡(jiǎn)潔易于理解。本文就STAR250這款CMOS圖像敏感器，給出使用Verilog HDL語(yǔ)言設計的邏輯驅動(dòng)電路和仿真結果。 1 CMOS圖像敏感器STAR250 STAR250是一款專(zhuān)為衛星天文導航的星跟蹤器（tracker）設計的CMOS圖像敏感器。由于太空中含有大量輻射，芯片中加入了抗輻射電路以提高空間應用的可靠性。STAR250的技術(shù)指標如下： (1)0．5μm CMOS工藝； (2)512x512分辨率，像素大小25μmx25μm； (3)每個(gè)像素4個(gè)光敏二極管，提高M(jìn)TF(幅值轉換功能)和減少PRNU(非均一化光響應)； (4)抗輻射設計； (5)片上雙采樣電路抵消FPN(固定模式噪聲)； (6)電子快門(mén)： (7)最大30幀／秒； (8)可以取子窗口； (9)片上10位ADC； (10)陶瓷JLCC-84針?lè )庋b。 STAR250是有源像素的線(xiàn)掃描CMOS圖像敏感器。所有像素的輸出都連接到列總線(xiàn)，并且在列總線(xiàn)上每例都有一個(gè)列放大器。使用二次采樣技術(shù)，控制列放大器可以從讀出信號中減去光敏單元上一次采集殘留的電荷。片上ADC獨立于敏感器，可以使用也可以通過(guò)軟件關(guān)閉，而用外部的ADC。STAR250為了應用方便有多種讀出數據的方法(窗口方式、電子快門(mén)等)，不同的讀出方式有不同的時(shí)序要求。 傳統的計算機或打印機的圖像座標系定義左上角為原點(diǎn)(0，0)，在STAR250中定義右上角為原點(diǎn)(0，0)，如圖1。這樣敏感器輸出數字信號后能夠方便地轉換為計算機格式的圖像，方便后續的處理。窗口掃描方式是從上向下、從左向右一個(gè)像素一個(gè)像素地掃描。 2 STAR250時(shí)序信號 STAR250通過(guò)兩個(gè)步驟完成圖像的采集。第一步是逐行掃描RESET像素。行內像素RESET后，本行自上一次RESET或讀出后積累的所有光敏電荷被排空。從RESET行像素開(kāi)始新的曝光周期。第二步是本次曝光周期數據讀出。以電壓的形式讀出，然后經(jīng)過(guò)ADC轉換為數字量。由于電荷采用排出式讀取，CMOS圖像敏感器的像素讀出不可恢復，讀取過(guò)程也相當于RESET像素，所以CMOS敏感器行RESET的速度與讀取速度一樣。 STAR250通過(guò)三個(gè)指針標定整個(gè)圖像地址：Yrd當前掃描行，Yrst當前RESET行，Yrd當前讀出像素。這三個(gè)指針都有相應的移位寄存器，通過(guò)設置這三個(gè)寄存器的初始值可以調整采集窗口的大小和位置。圖像采集的流程圖如圖2。每秒鐘的圖像幀數通過(guò)設置Yrd和Yrst進(jìn)行控制，曝光周期也由這兩個(gè)量控制。這個(gè)時(shí)間量可以用空間距離(行距)表示，定義DelayLines=︱Yrst-Yrd+︱。由于每一行的RESET和讀取時(shí)間是固定的，所以DelayLines如果固定那么幀率也就固定了。將DelayLines轉換成像素的有效積分時(shí)間(曝光時(shí)間)，是將Delay-Lines乘以讀取一行像素所用的時(shí)間。讀取一行像素所用的時(shí)間由四部分組成：(1)行中有效像素的個(gè)數(由行的長(cháng)度定義)；(2)讀取一個(gè)像素所用的時(shí)間；(3)像素累積電荷轉換為數字量的時(shí)間；(4)選擇新一行所用的時(shí)間。例如在主時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，像素的輸出頻率為主時(shí)鐘的二分頻6MHz，因此一行像素所需要的時(shí)間為512×1/6MHz=85．3μs。再加上換行所需時(shí)間，一行像素的讀取時(shí)間大約90μs左右。因此可以根據這個(gè)時(shí)間設置DelayLines來(lái)控制曝光時(shí)間。 3 Verilog HDL驅動(dòng)時(shí)序設計 經(jīng)過(guò)以上分析可知，CMOS圖像敏感器采集時(shí)可以分為RESET過(guò)程和采集過(guò)程。時(shí)間上兩個(gè)過(guò)程是獨立的，如圖3。但在FPGA內部處理這兩部分的電路物理上是同時(shí)存在，因此必須將相應的信號通過(guò)置標志位的方法置為有效或無(wú)效。 STAR250所需數字驅動(dòng)信號共28個(gè)，其中SELECT信號在正常使用時(shí)，直接接PCB板的Vcc。因此需FPGA控制的驅動(dòng)信號有27個(gè)。根據采集過(guò)程可以把信號劃分為列放大器信號，包括CAL、Reset、Lr、S、R、LdY。這6個(gè)信號在每一行的初始化部分都要用到，因此可以編寫(xiě)到一個(gè)模塊(ColControl)中；模式信號(PaternCtrl)模塊用來(lái)設置CMOS敏感器的工作模式及初始地址，包括G0、G1、Bitlnvert和Addr[8：0]共12個(gè)信號。其中G0、G1用來(lái)設計輸出的放大倍數，BitInvert用于將輸出取反，Addr[8：0]則設置采集的起始地址；行讀出信號控制模塊(YlCtrl)產(chǎn)生行讀出地址的同步信號SyncYl及時(shí)鐘驅動(dòng)信號ClkYl；行RESET信號控制模塊(YrCtrl)產(chǎn)生行RE-SET地址的同步信號SyncYr及時(shí)鐘驅動(dòng)信號ClkYr；像素控制模塊(RowCtrl)產(chǎn)生行內像素初始地址的裝載信號LdX及同步信號SyncX；行內時(shí)鐘信號模塊(RowClk)產(chǎn)生列內像素的時(shí)鐘驅動(dòng)CLKX、ADC驅動(dòng)時(shí)鐘信號CLkAdc及輸出三態(tài)控制信號TriAdc。系統的輸入信號為主時(shí)鐘CLK、EosX行內像素結尾信號、EosYl幀內行結尾信號、EosYr幀內RESET行結尾信號、芯片的RESET信號。經(jīng)過(guò)這樣劃分后的模塊化Verilog程序就比較易寫(xiě)了。經(jīng)過(guò)頂層模塊綜合生成的網(wǎng)表如圖4。布線(xiàn)仿真時(shí)序圖如圖5，其中時(shí)鐘信號過(guò)于密集變成黑色帶狀，同樣輸出時(shí)鐘CIkX及ClkAdc也是黑色帶狀。在時(shí)序上ClkX與ClkAdc是反相關(guān)系，在TriAdc保持低電平時(shí)輸出有效。所設計的驅動(dòng)信號仿真波形與理論波形十分符合。這樣就完成了STAR250的時(shí)序驅動(dòng)電路設計。 使用Verilog語(yǔ)言設計時(shí)序邏輯具有很高的效率。結合CMOS敏感器特性可以方便地開(kāi)發(fā)出驅動(dòng)時(shí)序電路。但必須對CMOS圖像敏感器的信號分析準確，正確分離那些獨立的信號和共用的信號，用時(shí)序邏輯設計驅動(dòng)信號，用組合邏輯實(shí)現不同采集過(guò)程時(shí)間上的分離。布線(xiàn)延遲是必須考慮的，采用流水線(xiàn)技術(shù)可以預測延遲，保證信號的正確性。雖然文中并未給出像素ADC輸出的存儲電路，但實(shí)際上直接使用TriAdc信號作為SRAM的片選，ClaAdc的低電平作為寫(xiě)信號，SRAM的地址在ClkAdc的上升沿增加、下降沿寫(xiě)入。這樣就可以完成圖像數據的存儲。以上Verilog程序在FLEXl0kl0上布線(xiàn)實(shí)現。經(jīng)示波器觀(guān)察邏輯正確，CMOS敏感器正常工作。 |
