面陣CMOS圖像傳感器LUPA4000的驅(qū)動設(shè)計(jì)

　　隨著CMOS集成電路工藝的不斷發(fā)展和完善，CMOS圖像傳感器發(fā)展非常迅速。CMOS圖像傳感器具有低成本、簡單的數(shù)字接口、運(yùn)行簡易、高速率可以實(shí)現(xiàn)智能處理功能等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用；又因其具有噪聲低、功耗小、動態(tài)范圍寬、光譜靈敏度高、超微型化、數(shù)字化以及易實(shí)現(xiàn)商品化等特點(diǎn)，特別是他將圖像傳感器陣列、時序控制電路、信號處理電路、A／D轉(zhuǎn)換器以及接口電路等集成于一體，真正實(shí)現(xiàn)了單芯片成像，LUPA4000是一款典型的大面陣宇航級的CMOS圖像傳感器，本文主要描述在本設(shè)計(jì)中所做的兩項(xiàng)主要的工作：在軟件上利用VHDL語言描述圖像傳感器LUPA4000的驅(qū)動時序的思想以及在硬件上設(shè)計(jì)其外圍電路的方法。

1 LUPA4000圖像傳感器

　　LUPA4000是Cypress公司生產(chǎn)的一款400萬像素的CMOS面陣圖像傳感器，憑借著其在讀出速度快(66 M／s)、功耗低(不高于200 mW)、空間應(yīng)用的可靠性好(能夠在強(qiáng)輻射環(huán)境中工作)等方面的優(yōu)勢，LUPA4000主要用于天文觀測等領(lǐng)域中發(fā)揮著其絕對的優(yōu)勢；此外，他還廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺以及醫(yī)療影像中。在不開窗口的情況下速度可以達(dá)到15 f／s；片上集成了2塊A／D轉(zhuǎn)換器用來提高像素的讀出速度是其又一顯著特點(diǎn)；同時，LUPA4000又提供了開窗口模式用以提高讀出的速度，所謂開窗口模式是指LUPA4000可以通過對SPI(SPI下文有介紹)可編程特性任意改變他的讀出陣列大小。在特定情況下LUPA4000的另一個優(yōu)越性體現(xiàn)在他可以進(jìn)行雙斜率積分實(shí)現(xiàn)對第一次積分的補(bǔ)償；美中不足的是LUPA4000是一款單色的傳感器芯片。這里用圖1來說明他的工作原理：

　　從圖1上可以看到，LUPA4000主要有以下幾個部分組成：一個像素陣列單元、X方向?qū)ぶ芳拇嫫饕约?個Y方向的尋址寄存器(圖上畫了1個)、SPI(Serial-Parallel-Interface)列信號放大器等。采用同步快門工作模式，其具體的工作流程主要分為3個步驟：

　　(1)在圖像傳感器工作之前，首先應(yīng)上載SPI；SPI俗稱內(nèi)部寄存器，他決定了圖像傳感器的讀出方向以及是否進(jìn)行開窗口讀出等；上載結(jié)束之后，會輸出一個eos_spi信號意味著寄存器上載完成。

　　(2)上載結(jié)束之后，圖像傳感器就可以正常工作。當(dāng)圖像傳感器接受到外界的光信號之后，光積分區(qū)域便由reset，mem_hl，precharge，sample四個信號控制，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后把電信號儲存到每個像素單元里；

　　(3)積分結(jié)束之后，就進(jìn)行信號的處理與讀出，這是工作最重要的部分，這些環(huán)節(jié)由sync_y，clock_y，no-rowsel，pre_co，sh_co，sync_x，clock_x控制。

　　sync_y信號高電平的到來意味著1幀圖像開始讀出；clock_y信號為高電平時則意味著1行像素開始讀出。當(dāng)1行像素讀出時，會有1個行開頭時間(ROT)，由no-rowsel，pre_co，sh_co三個信號來控制，這個時間時為了確保輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，原則上說，ROT越短越好；然后sync_x為高電平的時候，開始行讀出，行讀出由信號clock_x控制，clock_x時一個66 MHz的周期信號，每個周期讀出2個像素；如此反復(fù)，當(dāng)讀完最后一行的時候，會輸出一個eos_y信號，意味著1幀讀出的結(jié)束。這就構(gòu)成了一個循環(huán)。

2 時序的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上面的敘述，就可以清楚LUPA4000的基本工作原理。在具體的時序設(shè)計(jì)過程中，采用自頂向下(top-down)的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)生這些數(shù)字信號。所謂自頂向下的設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)級開始，把系統(tǒng)劃分為若干個基本單元，然后再把每個基本單元劃分為下一層次的基本單元，直到可以直接用基本元件實(shí)現(xiàn)為止。自頂向下的設(shè)計(jì)方法方便從系統(tǒng)級劃分和管理整個項(xiàng)目，使得復(fù)雜數(shù)字電路的設(shè)計(jì)成為可能，并且可以減少設(shè)計(jì)人員，避免不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)。

　　為了能讓其正常工作，需用1塊CPLD或者FPGA，通過VHDL語言產(chǎn)生出上述所需要的信號，然后將其送給LUPA4000。可以根據(jù)上述所分析的LUPA4000工作的3個階段，通過有限狀態(tài)機(jī)(state machine)產(chǎn)生具體的信號。狀態(tài)機(jī)是由狀態(tài)寄存器和組合邏輯電路構(gòu)成，能夠根據(jù)控制信號按照預(yù)先設(shè)定的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，是協(xié)調(diào)相關(guān)信號動作、完成特定操作的控制中心，屬于一種時序邏輯電路。通常狀態(tài)機(jī)由3部分組成：當(dāng)前狀態(tài)寄存器、下一狀態(tài)組合邏輯、輸出組合邏輯。LUPA4000的具體狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。

　　由于LUPA4000所需要的資源不大，故本設(shè)計(jì)采用1塊Altera公司的MAXⅡ系列EPM1270T144C5。本設(shè)計(jì)使用VHDL語言編寫程序代碼，利用Altera公司的配套軟件QuartusⅡ進(jìn)行仿真，其具體的仿真結(jié)果如圖3所示。

　　其中clk為輸入信號，由有源晶振提供；mem_hl，precharge，reset，sample為CPLD輸出給LUPA4000的積分信號；sync_y，clock_y，norowsel，re_co，h_co，sync_x，clock_x為讀出控制信號。從圖3上可以看出，利用狀態(tài)機(jī)來描述時序最顯著的特點(diǎn)是：可以避免產(chǎn)生一些毛刺現(xiàn)象。根據(jù)手冊以及對相關(guān)重要信號進(jìn)行測試分析可以得到，仿真的結(jié)果能夠滿足LUPA4000的信號特性。

3 pcb的設(shè)計(jì)以及硬件的實(shí)現(xiàn)

　　在系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中，考慮到小型化，功耗以及升級性和兼容性方面的要求，采用2塊電路板通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口對接，控制傳輸板用USB接口與主機(jī)連接，采用LDO以及JTAG接口+FPGA作為主要的控制單元的方案。

　　整個系統(tǒng)按功能和組成分成2個部分，分別制備成2塊4層的PCB板。第一部分是前端成像部分，CMOS圖像傳感器和LDO電源組成，以CMOS圖像傳感器為核心，加上外圍的電阻和電容，以及2個PC104接口，構(gòu)成前端的電路板；第二部分是后端的時序控制和USB數(shù)據(jù)采集部分，包括CPLD，JTAG接口和LDO電源和USB傳輸芯片，構(gòu)成后端的電路板。這一部分通過PC104接口和與前端相連，輸出CMOS圖像傳感器的控制時序以及USB芯片數(shù)據(jù)采集的同步時序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；2個電路板用Protel平臺來搭建電路。

　　按上述方案設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有以下性能特點(diǎn)：

　　(1)圖像傳感器與電源等器件隔離，受干擾較小，保證了成像質(zhì)量；

　　(2)采用前后分離的2塊PCB設(shè)計(jì)，在不改變前端成像部分的情況下可以適當(dāng)調(diào)整控制電路的設(shè)計(jì)，具有很大的靈活性；

　　(3)采用低成本，高性能的CPLD作為控制部分的核心，降低了設(shè)計(jì)的成本；

　　(4)選擇低壓差穩(wěn)壓器(Low DropOUT Regulator，LDO)作為供電模塊，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其具體的硬件連接圖如圖4所示。

4 結(jié) 語

　　　本設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和基于芯片的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，采用集成電路及復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，使系統(tǒng)具有集成度高、可靠性好、靈活性強(qiáng)、設(shè)計(jì)調(diào)試方便等特點(diǎn)。本系統(tǒng)用2塊電路板完成整體系統(tǒng)的構(gòu)建，一塊用于驅(qū)動和控制CMOS圖像傳感器，以采集連續(xù)視頻圖像；另一塊相當(dāng)于一塊USB數(shù)據(jù)采集卡，將前者采集的圖像數(shù)據(jù)，傳輸入PC機(jī)。這樣的設(shè)計(jì)使得整個系統(tǒng)便于調(diào)試，并且接口部分的設(shè)計(jì)充分考慮了可擴(kuò)展可更換的要求，便于連接新的模塊。

　　總的來說，該設(shè)計(jì)包括軟件和硬件能夠很好的滿足LUPA4000的成像需要，實(shí)現(xiàn)了對LUPA4000成像系統(tǒng)的一定的開發(fā)。從圖5可以看到，圖像清晰穩(wěn)定、噪點(diǎn)小，CMOS圖像傳感器很好的滿足了成像的需要。