基于CPLD的圖像傳感器非均勻性校正

　　2. 1　硬件設(shè)計

　　目前,在非均勻性校正的硬件實現(xiàn)上,采用的都是1點或2點校正法. 電路由計數(shù)器、存儲器、A /D轉(zhuǎn)換器和D /A轉(zhuǎn)換器等器件組成 . 通常,只能針對某個特定型號的圖像傳感器進行電路板制作,擴展性較差,而且,電路工作頻率較低. 采用這些器件很難實現(xiàn)多點實時校正.

　　為了實現(xiàn)非均勻性多點實時校正,筆者設(shè)計了基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的校正系統(tǒng). 該系統(tǒng)以CPLD EPM7512AE為核心,包括輸入和輸出信號調(diào)理電路、高速A/D采樣單元、D/A轉(zhuǎn)換單元和FLASH存儲器等功能模塊. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

　　圖2　校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　校正系統(tǒng)通過輸入信號調(diào)理單元將接收到的圖像傳感器視頻輸出信號進行預(yù)處理,將信號調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器(ADC) TLV5580的采樣電壓范圍內(nèi).系統(tǒng)控制核心CPLD接收圖像傳感器工作信號,根據(jù)視頻信號串行輸出的規(guī)律,產(chǎn)生控制TLV5580工作的時鐘信號和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出使能信號,從而控制TLV5580對經(jīng)過調(diào)理的視頻信號進行采樣量化,并將量化后的數(shù)字信號實時讀入CPLD. 同時, CPLD 從FLASH存儲器W29C040的相應(yīng)單元中讀出斜率和偏置校正系數(shù),實現(xiàn)式(4)描述的校正算法,完成對各個視頻信號的實時非均勻性校正.

　　CPLD還產(chǎn)生D/A轉(zhuǎn)換器(DAC) TL5632C工作時鐘信號,控制TL5632C將校正后的數(shù)字信號實時地轉(zhuǎn)換成模擬信號,并由輸出信號調(diào)理單元將該模擬信號調(diào)理為一個范圍合適的電壓信號作為校正系統(tǒng)的輸出(即經(jīng)過校正的視頻信號).

　　2. 2　CPLD設(shè)計思想

　　作為控制核心的CPLD是一種半定制器件,它最大的優(yōu)點就是采用編程的方式定制其具體實現(xiàn)的硬件電路,指定CPLD的硬件實現(xiàn)功能. 筆者主要采用硬件描述語言VHDL,并結(jié)合原理圖方式在MAX + PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下進行CPLD 功能的設(shè)計. 采用VHDL語言的設(shè)計方法,可實現(xiàn)器件的無關(guān)性,并且功能實現(xiàn)靈活、修改方便. CPLD的應(yīng)用以及VHDL設(shè)計方法的使用為校正系統(tǒng)能靈活地適用于不同圖像傳感器的校正以及實現(xiàn)不同的校正算法提供了可能和保證.

　　根據(jù)系統(tǒng)校正功能要求及工作流程, CPLD 實現(xiàn)的功能主要包括:

　　1) 分頻器. 分頻器對晶振信號進行分頻,產(chǎn)生校正系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的時鐘基準(zhǔn)信號. 分頻器采用VHDL進行設(shè)計,可以根據(jù)不同的晶振、不同的圖像傳感器工作頻率,靈活、方便地選擇不同的分頻數(shù),產(chǎn)生合適的時鐘基準(zhǔn)信號.

　　2) ADC控制信號發(fā)生模塊. 該模塊采用VHDL進行設(shè)計,根據(jù)分頻器產(chǎn)生的時鐘基準(zhǔn)信號和圖像傳感器的工作信號,產(chǎn)生能夠準(zhǔn)確控制TLV5580工作的時鐘信號和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出使能信號,保證TLV5580實時、準(zhǔn)確地采集經(jīng)過調(diào)理后的視頻輸出信號.

　　3) 地址發(fā)生器. 地址發(fā)生器產(chǎn)生讀取FLASH存儲器中斜率和偏置校正系數(shù)的地址信號. 由于每個光敏元在每個輻照度子區(qū)域有一組數(shù)據(jù)(一個斜率校正系數(shù)和一個偏置校正系數(shù)) ,為了方便讀取,將同一輻照度子區(qū)域的所有光敏元的校正系數(shù)按照在圖像傳感器中的相對位置順序存儲. 所以,同一光敏元在不同子區(qū)域下的數(shù)據(jù)地址,高位地址不同,低位地址則完全相同;同一子區(qū)域內(nèi)不同光敏元的數(shù)據(jù)地址,則高位相同,低位不同. 因此,地址發(fā)生器由2部分構(gòu)成:高位地址發(fā)生器和低位地址發(fā)生器.

　　高位地址發(fā)生器實質(zhì)上是一個比較器,確定當(dāng)前圖像傳感器所測量的輻照度所處的子區(qū)域. 其設(shè)計思想是:將采集到的第1個光敏元的視頻信號和預(yù)先設(shè)定的對應(yīng)于每段輻照度子區(qū)域的邊界值進行比較,根據(jù)比較的結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的高位地址. 由于采用并行執(zhí)行的指令來實現(xiàn),能夠很好地滿足實時處理的要求.低位地址發(fā)生器根據(jù)視頻信號逐一串行輸出的特點以及TLV5580工作特點(每個工作時鐘采集1個光敏元的輸出信號)進行設(shè)計,實質(zhì)上是一個計數(shù)器,只需對TLV5580工作時鐘信號進行計數(shù),就能產(chǎn)生相應(yīng)的低位地址.

　　4) 校正模塊. 由乘法和加法2個子模塊構(gòu)成,分別采用MAX + PLUS Ⅱ提供的功能單元LPM_MULT和LPM_ADD_SUB來實現(xiàn). 校正模塊將采集到的視頻信號以及從FLASH存儲器讀取的相應(yīng)校正系數(shù)按照式(4)進行處理,實現(xiàn)圖像傳感器的實時非均勻性校正.

　　5) DAC控制信號發(fā)生模塊. 產(chǎn)生控制TL5632C工作的時鐘信號,指揮TL5632C實時地將校正后的數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換為模擬信號.

　　由于非均勻性校正功能的實現(xiàn)對時序要求嚴(yán)格,在程序的設(shè)計中,一定要注意時序的合理性. 將程序編寫出來后,首先進行了仿真實驗,在得到期望的工作波形數(shù)據(jù)后,進行邏輯綜合生成網(wǎng)絡(luò)表和下載文件,最后將程序文件下載到EPM7512AE中,以便進行下一步對圖像傳感器非均勻性校正指標(biāo)的測試.

　　3　實驗結(jié)果

　　筆者以重慶大學(xué)研制的CL512J型自掃描光電二極管陣列( SSPA)圖像傳感器作為對象,進行6點非均勻性實時校正的實驗. CL512J是一種具有512個光敏元的線陣列圖像傳感器. 其工作波形如圖3所示,以起始脈沖S信號(低電平有效)表示每一次掃描輸出的開始. 光敏元的視頻輸出電壓Uo 與時鐘信號CP同步,在CP的上升沿時刻開始輸出,經(jīng)過短暫的上升時間后,穩(wěn)定下來;在CP為低電平時,輸出變?yōu)?. 因此,將S和CP信號引入校正系統(tǒng)作為CPLD產(chǎn)生各種控制信號的基本依據(jù).在實驗中, 首先通過數(shù)據(jù)采集卡和計算機, 將 CL512J 的校正系數(shù)計算出來, 按指定地址保存在FLASH存儲器中.

　　圖3　CL512J工作波形

　　然后, 在MAX + PLUS Ⅱ開發(fā)環(huán)境下, 根據(jù)CL512J的具體情況(光敏元個數(shù)、工作頻率、視頻信號串行輸出的特點等) ,設(shè)計出相應(yīng)的程序,經(jīng)過仿真驗證后,將程序文件下載到CPLD中.最后,將CL512J的視頻信號接入校正系統(tǒng),并利用示波器觀察校正前后的視頻電壓波形. 圖4給出了一個實時校正的實驗結(jié)果,上面一條曲線是CL512J實際的視頻輸出信號,下面一條是經(jīng)過校正后的視頻信號. 校正前, 輸出信號最大值為2V, 最小值不足0. 8V,非均勻性超過40%. 校正后,電壓信號在2V附近變化,非均勻性約為2%. 由于TLV5580等器件的工作特點,校正信號延遲約5個CP時鐘后輸出.

　　圖4　不均勻性校正實驗結(jié)果圖

　　4　結(jié)束語

　　設(shè)計的非均勻性校正算法以及硬件校正系統(tǒng),能夠有效地實現(xiàn)圖像傳感器的多點實時非均勻性校正.采用CPLD作為核心構(gòu)成的校正系統(tǒng)具有功耗低、抗干擾能力強、功能實現(xiàn)方便和擴展靈活等優(yōu)點,能夠有效地適用于多種圖像傳感器的校正.但是,由于存在光電轉(zhuǎn)換曲線分段線性化誤差、A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器等器件轉(zhuǎn)換精度問題以及實驗條件的限制等客觀原因,影響了圖像傳感器非均勻性校正效果的進一步提高.