基于CPLD的CMOS APS驅(qū)動(dòng)時(shí)序的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　CMOS圖像傳感器是近年來發(fā)展十分迅速的一種新型固態(tài)圖像傳感器。它將圖像傳感器陣列、時(shí)序控制電路、信號(hào)處理電路、A／D轉(zhuǎn)換電路以及接口電路等集成在一體，使其具有體積小、功耗低、集成度高、控制簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在數(shù)字圖像采集等方面得到廣泛應(yīng)用。

　　本文在分析了PB-1024 CMOS APS圖像傳感器的工作原理和時(shí)序要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單合理的時(shí)序控制電路。該設(shè)計(jì)采用復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)作為硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，VHDL語言為設(shè)計(jì)描述方式，并通過Xilinx公司的Foundation軟件進(jìn)行了系統(tǒng)仿真。

　　2 PB-1024 CMOS APS圖像傳感器

　　2.1 特性、結(jié)構(gòu)及原理

　　PB-10244是美國Photobit公司生產(chǎn)的百萬像素CMOS APS圖像傳感器。其圖像分辨率為1024H×1024V，像元尺寸10.0μm×10.0 μm，在主時(shí)鐘頻率為66 MHz時(shí)，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為528 Mbit／s，對(duì)應(yīng)的采樣速率為500幀／s，且片內(nèi)集成了8位A／D轉(zhuǎn)換器。

　　PB-1024 CMOS APS圖像傳感器將像素矩陣、A／D轉(zhuǎn)換電路及時(shí)序控制電路等集成在一起，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圖1所示的幾個(gè)功能模塊組成。當(dāng)光照射到像素陣列上時(shí)發(fā)生光電效應(yīng)，在像素單元內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。在時(shí)序電路的控制下，行選擇邏輯單元根據(jù)行地址總線選通相應(yīng)的行像素單元，行像素單元內(nèi)的圖像信號(hào)通過各自所在的列信號(hào)總線，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的模擬信號(hào)處理單元和A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)首先被存儲(chǔ)在A／D轉(zhuǎn)換寄存器中，然后在輸出控制電路的作用下，轉(zhuǎn)移到輸出寄存器中，最后8×8位的數(shù)字信號(hào)經(jīng)放大后輸出。

　　2.2 時(shí)序分析

　　PB-1024 CMOS APS圖像傳感器所需的時(shí)序驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)主要有：采樣開始信號(hào)ROW_STRT_N、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移信號(hào)LD_SHFT_N、數(shù)據(jù)允許輸出信號(hào)DATA_READ_EN_N等，其驅(qū)動(dòng)控制時(shí)序如圖2所示。

　　在光積分期間，通過10位行地址總線(ROW_ADDR)選通有效的像素行，當(dāng)采樣開始信號(hào)有效時(shí)(ROW_STRT_N為低電平)，開始從有效的像素行中讀取模擬信號(hào)，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，將數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)在A／D轉(zhuǎn)換寄存器中。完成以后，圖像傳感器送出數(shù)據(jù)讀取完成信號(hào)(ROW_DONE_N為低電平)給驅(qū)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)控制器發(fā)出數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移信號(hào)(LD_SHFT_N為低電平)，此時(shí)數(shù)字信號(hào)從A／D轉(zhuǎn)換寄存器中轉(zhuǎn)移到輸出寄存器中。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移信號(hào)有效的一個(gè)時(shí)鐘周期后，數(shù)據(jù)允許輸出信號(hào)開始有效(DATA_READ_EN_N為低電平)，數(shù)據(jù)從輸出寄存器中輸出。

　　3 時(shí)序控制電路的CPLD實(shí)現(xiàn)

　　3.1 復(fù)雜可編程邏輯器件

　　在設(shè)計(jì)中，由于來自PB-1024圖像傳感的8×8位數(shù)據(jù)輸出端口要用到64個(gè)I／O口、行地址需要10個(gè)I／O口、其他控制信號(hào)需要45個(gè)I／O口，這樣共需要119個(gè)用戶自定義的I／O口。為此選用美國Xilinx公司生產(chǎn)的XC95288XL復(fù)雜可編程邏輯器件來實(shí)現(xiàn)對(duì)PB-1024 CMOS APS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)控制。XC95288XL共有208個(gè)輸出端口，其中有168個(gè)用戶可編程的I／O口，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求。基于CPLD的PB-1024 CMOS APS圖像傳感的驅(qū)動(dòng)控制單元如圖3所示。

　　3.2 驅(qū)動(dòng)電路的VHDL設(shè)計(jì)

　　通過對(duì)PB-1024 CMOS APS圖像傳感器的時(shí)序分析可見，時(shí)序控制電路的設(shè)計(jì)規(guī)模較大、復(fù)雜程度較高且速度要求較快，因此為了滿足高頻幀的時(shí)鐘要求，設(shè)計(jì)采用VHDL語言來實(shí)現(xiàn)，主要產(chǎn)生PB-1024的輸入時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)移和輸出信號(hào)。

　　為保證采集到的圖像能夠?qū)崟r(shí)地顯示在XGA監(jiān)視器上，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率按照XGA監(jiān)視器的掃描頻率75 Hz來確定。由于場(chǎng)消隱期的存在，即每一行的輸出信號(hào)都會(huì)包含一些啞像元，每一場(chǎng)圖像的輸出也會(huì)包含一些啞行，所以在設(shè)計(jì)時(shí)為保證不會(huì)采集到消隱電平，使每一個(gè)有效像素與每一位有效數(shù)據(jù)的輸出——對(duì)應(yīng)，因此確定一場(chǎng)圖像的實(shí)際大小為1328×803。這樣得到的行頻為60.225 kHz，點(diǎn)頻為80 MHz，因此用80 MHz的時(shí)鐘頻率作為CPLD內(nèi)部的全局時(shí)鐘頻率。但由于圖像在傳輸過程中受到低速XGA電纜發(fā)送速率75幀／s的限制，所以PB-1024 CMOS APS圖像傳感的輸入時(shí)鐘頻率只能達(dá)到10 MHz，這可由一個(gè)8分頻的計(jì)數(shù)器完成。

　　數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)移和輸出的過程為：當(dāng)全局復(fù)位信號(hào)RESET=1時(shí)，系統(tǒng)停止工作，這時(shí)所有計(jì)數(shù)器清零。當(dāng)RESET=0時(shí)，系統(tǒng)處于采集狀態(tài)。采集一場(chǎng)圖像的過程為：當(dāng)全局時(shí)鐘信號(hào)VCLK的下降沿來到時(shí)，列計(jì)數(shù)器(HCOUNTB)開始計(jì)數(shù)，在輸出若干個(gè)過渡像元后開始有效數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)移(LD_SHIFT為低電平)，在一個(gè)全局時(shí)鐘周期后數(shù)據(jù)開始允許輸出(DATA_READ_EN為低電平)，當(dāng)列計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1024時(shí)，停止數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移和輸出。當(dāng)列計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1327時(shí)，行計(jì)數(shù)器(RSTV-COUNT)加1，列計(jì)數(shù)器清零，開始下一有效像素行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)移和輸出。當(dāng)行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到768時(shí)，完成一幀圖像的采集，當(dāng)行計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到803時(shí)，完成一場(chǎng)圖像的采集。

　　3.3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

　　采用Xilinx公司的Foundation軟件對(duì)時(shí)序電路進(jìn)行仿真，仿真波形如圖4所示。通過與圖2的比較，可以看出產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)波形與PB-1024 CMOS APS圖像傳感器所需時(shí)序控制關(guān)系基本吻合，能夠達(dá)到PB-1024 CMOS APS圖像傳感器的時(shí)序要求。

　　4 結(jié) 論

　　采用CPLD對(duì)CMOS APS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，使原來復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)變成只需一片CPLD芯片就能完成，而且電路成倍簡(jiǎn)化、體積減小、功耗降低，從而提高了圖像傳感器的抗干擾能力、可靠性和穩(wěn)定性。