面陣ＣＭＯＳ圖像傳感器ＬＵＰＡ４０００的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

闡述Cypress公司生產(chǎn)的LUPA4000這款面陣CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)、原理和性能。在軟件方面給出驅(qū)動(dòng)電路的時(shí)序設(shè)計(jì)思路；在硬件方面給出設(shè)計(jì)其外圍驅(qū)動(dòng)電路的方法。實(shí)驗(yàn)表明該圖像傳感器工作穩(wěn)定可靠，電路具有集成度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：LUPA4000；圖像傳感器；時(shí)序；驅(qū)動(dòng)電路

中圖分類號(hào)：TP342.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)08-017-03

Driving Design of Area CMOS Image Sensor LUPA4000

LI Xiangyang，GAO Wei，YANG Guanghong，TIAN Yuli

(Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Xi′an，710119，China)

Abstract：A method for designing driving circuit of CMOS sensor by means of the Complex Programmable Logic Device (CPLD)is introduced.The structure，principle and performance of LUPA4000 produced by Cypress is described.In software，the idea of is scheduling design of driving circuit is given，in hardware，the method of periphery driving circuit is offered.The experiment shows that image sensor is stable and reliable.

Keywords：LUPA4000;image sensor;scheduling;driving circuit

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(jiǎn)單的數(shù)字接口、運(yùn)行簡(jiǎn)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\\[1\\]；又因其具有噪聲低、功耗小、動(dòng)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(shí)序控制電路、信號(hào)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\\[2\\]，LUPA4000是一款典型的大面陣宇航級(jí)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(yǔ)言描述圖像傳感器LUPA4000的驅(qū)動(dòng)時(shí)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(shì)，LUPA4000主要用于天文觀測(cè)等領(lǐng)域中發(fā)揮著其絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)\\[3\\]；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(shí)，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(duì)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(gè)優(yōu)越性體現(xiàn)在他可以進(jìn)行雙斜率積分實(shí)現(xiàn)對(duì)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\\[4\\]。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(gè)部分組成：一個(gè)像素陣列單元、X方向?qū)ぶ芳拇嫫饕约?個(gè)Y方向的尋址寄存器（圖上畫了1個(gè)）、SPI(SerialParallelInterface)列信號(hào)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(gè)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(huì)輸出一個(gè)eos_spi信號(hào)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(hào)之后，光積分區(qū)域便由reset，mem_hl，precharge，sample四個(gè)信號(hào)控制，實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，然后把電信號(hào)儲(chǔ)存到每個(gè)像素單元里；

（3） 積分結(jié)束之后，就進(jìn)行信號(hào)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，norowsel，pre_co，sh_co，sync_x，clock_x控制。

sync_y信號(hào)高電平的到來意味著1幀圖像開始讀出；clock_y信號(hào)為高電平時(shí)則意味著1行像素開始讀出。當(dāng)1行像素讀出時(shí)，會(huì)有1個(gè)行開頭時(shí)間（ROT），由norowsel，pre_co，sh_co三個(gè)信號(hào)來控制，這個(gè)時(shí)間時(shí)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(shí)候，開始行讀出，行讀出由信號(hào)clock_x控制，clock_x時(shí)一個(gè)66 MHz的周期信號(hào)，每個(gè)周期讀出2個(gè)像素；如此反復(fù)，當(dāng)讀完最后一行的時(shí)候，會(huì)輸出一個(gè)eos_y信號(hào)，意味著1幀讀出的結(jié)束。這就構(gòu)成了一個(gè)循環(huán)。

2 時(shí)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(shí)序設(shè)計(jì)過程中，采用自頂向下（topdown）的設(shè)計(jì)方法，產(chǎn)生這些數(shù)字信號(hào)。所謂自頂向下的設(shè)計(jì)是從系統(tǒng)級(jí)開始，把系統(tǒng)劃分為若干個(gè)基本單元，然后再把每個(gè)基本單元?jiǎng)澐譃橄乱粚哟蔚幕締卧钡娇梢灾苯佑没驹?shí)現(xiàn)為止。自頂向下的設(shè)計(jì)方法方便從系統(tǒng)級(jí)劃分和管理整個(gè)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(yǔ)言產(chǎn)生出上述所需要的信號(hào)，然后將其送給LUPA4000。可以根據(jù)上述所分析的LUPA4000工作的3個(gè)階段，通過有限狀態(tài)機(jī)（state machine）產(chǎn)生具體的信號(hào)。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(hào)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(hào)動(dòng)作、完成特定操作的控制中心，屬于一種時(shí)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\\[5\\]。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(yǔ)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(hào)，由有源晶振提供；mem_hl，precharge，reset，sample為CPLD輸出給LUPA4000的積分信號(hào)；sync_y，clock_y，norowsel，re_co，h_co，sync_x，clock_x為讀出控制信號(hào)。從圖3上可以看出，利用狀態(tài)機(jī)來描述時(shí)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(cè)以及對(duì)相關(guān)重要信號(hào)進(jìn)行測(cè)試分析可以得到，仿真的結(jié)果能夠滿足LUPA4000的信號(hào)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(jí)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(duì)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(gè)系統(tǒng)按功能和組成分成2個(gè)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(gè)PC104接口，構(gòu)成前端的電路板；第二部分是后端的時(shí)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(shí)序以及USB芯片數(shù)據(jù)采集的同步時(shí)序，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；2個(gè)電路板用Protel平臺(tái)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(yǔ)

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(dòng)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(gè)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。[LL]

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(duì)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。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］邢汝佳，張伯珩，邊川平，等.基于CMOS圖像傳感器IBIS5A1300的時(shí)序設(shè)計(jì)\\[J\\].科學(xué)技術(shù)與工程，2006，21(6):4044.

［2］曹昕燕.CPLD在CMOS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路中的應(yīng)用\\[J\\].儀表技術(shù)與傳感器，2005(4):4345.

［3］李丹，尚暖園，宋謙.天文用2 k×2 k高速CMOS相機(jī)的研制與測(cè)試結(jié)果\\[J\\].天文研究與技術(shù)，2006，3(4):380386.

［4］Cypress Semiconductor Corporation.4M Pixel CMOS Image Sensor．2007.

［5］王開軍.面向CPLD/FPGA的VHDL設(shè)計(jì)\\[M\\].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡(jiǎn)介 黎向陽(yáng) 男，1982年出生，河南駐馬店人，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所在讀研究生，專業(yè)為信號(hào)與信息處理。研究方向?yàn)槊骊噲D像傳感器的成像系統(tǒng)研究。