CMV4000國產化替代芯片驗證平臺設計*

溫兆倫，馬有為，劉 冰，劉 軒，潘 迪

(上海航天控制技術研究所·上海·201109)

0 引 言

隨著大規模集成電路技術的提升，CMOS圖像傳感器的性能指標已接近并超過CCD圖像傳感器[1]。由于CMOS傳感器性能優越、體積小，被廣泛地應用于空間探測、星敏感器導航等領域[2-7]。相關領域研究人員使用CMOS傳感器搭建高精度相機系統，獲取到清晰的圖像，文獻[8-11]使用大面陣CMOS傳感器設計相機電路硬件，實現高分辨率的圖像輸出功能。文獻[12-14]使用FPGA進行圖像傳感器時序驅動，設計出高性能相機系統。CMV4000是比利時CMOSIS公司設計的一款CMOS傳感器芯片，其抗輻射性能等可靠性指標不佳，對應的國產化替代芯片為上海集成電路生產的ASG043傳感器芯片。ASG043芯片與CMV4000封裝一致且具有抗輻照指標，是國內替代CMV4000芯片的理想選擇，目前已有多家航天單位應用，廠家具有航天級芯片出貨能力。本文從硬件電路和FPGA時序設計兩個角度開展替代工作研究，設計了驗證平臺開展驗證并進行替代前后黑白圖以及采集星點圖像的對比，最后對成像效果做出評價。

1 可替代性分析

ASG043傳感器芯片有效像素為2048×2048，圖1所示為芯片模塊示意圖。該芯片支持SPI接口與LVDS圖像輸出接口，LVDS提供16對差分輸出，可通過SPI控制寄存器調節PGA、 ADC以及Offset等參數，起到改變圖像增益的作用。

首先對兩個傳感器的參數進行詳細對比，根據芯片手冊信息(表1所示)，對傳感器芯片的抗輻照指標、封裝參數、供電電壓、時鐘頻率、Pixel指標、CIS指標以及其他指標均進行對比分析。

圖1 ASG043傳感器芯片模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of ASG043 sensor chip module

表1 CMV4000與ASG043芯片參數對比表

對比元器件手冊信息以及經過與廠家信息確認可知，兩款傳感器芯片的主要差異如下：

1)抗輻照指標不同。ASG043具有抗輻照指標，在輻照環境下可靠性更優。

2)外形尺寸不同。主要體現在ASG043高度較進口器件高，在安裝使用過程中應注意調整光學距離。

3)像素分布不同。ASG043有效像素與進口器件相同，但是暗像素與進口器件不同，因此該芯片光學中心相對于結構中心有偏移;同時ASG043傳感器成像相位與進口器件相差90°，應用過程中可通過結構件調整以及軟件代碼調整解決。

4)供電電壓不同。ASG043為3.3V，2.5V，1.2V供電，供電端需要并聯大電容100μF。

5)量子效率曲線不同。在400nm～700nm波長范圍內，進口與國產量子效率相差不大；對于700nm以上的波長，國產傳感器芯片ASG043的量子效率低于進口器件。

6)上電驅動時序不同。ASG043上電時序加入了RESET_N管腳，需要對FPGA的傳感器驅動代碼進行適應性更改，以滿足上電運行要求。

2 驗證平臺設計

2.1 電路設計

星敏感器的FPGA A3PE3000為傳感器芯片ASG043提供驅動時序，ASG043將數字圖像信號返回至FPGA，FPGA將圖像數據傳送至SRAM中，圖像數據主要通過LVDS芯片傳輸。圖2所示為ASG043電路設計原理圖。

圖2 ASG043電路原理圖Fig.2 Circuit schematic diagram of ASG043

本次ASG043的電路設計使用FPGA產生5MHz時鐘并通過CLKIN輸入。芯片供電為4路供電，分別為模擬電壓2.5V、像素電壓3.3V、I/O供電3.3V、數字電壓1.2V。VDDP為pixel供電，工作時在曝光階段會有一個大的μs級尖峰電流，所以需要在電源VDDP輸出端放置大電容，濾除低頻噪聲以及提高尖峰電流驅動，電容并聯選取100μF,10μF,0.1μF。為了避免數字地對pixel地的干擾，建議將兩個地分開處理。

2.2 代碼設計

圖3所示為軟件流程圖，傳感器上電后，FPGA對傳感器的執行步驟如下：

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

1)傳感器初始化執行1次；

2)全部SPI參數配置執行1次，之后每一幀FOT中配置部分SPI參數；

3)部分SPI配置、傳感器訓練與同步、曝光與數字圖像輸出這3個步驟無限循環，不斷地輸出圖像數據幀。

2.2.1 傳感器初始化

傳感器初始化的任務是產生初始化時序和SPI配置。具體要求如下：

1)FPGA向傳感器時鐘端口CLK輸出5MHz主時鐘信號；

2)FPGA接收50MHz晶振時鐘后輸出50MHz LVDS時鐘；

3)傳感器初始化時CLK、SYS_RES_N、RESET_N的時序特征如圖4所示。

圖4 傳感器初始化時序與SPI配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor initialization timing and SPI configuration

傳感器初始化完成后進行傳感器工作參數初始化SPI參數配置。

2.2.2 SPI參數配置

參數配置時SPI_IN、SPI_EN、SPI_CLK的時序要求見圖4。參數配置分為SPI WRITE和SPI READ兩個過程，含義如下：

1)SPI WRITE用于配置傳感器工作參數，以SPI_CLK時鐘向SPI_IN輸出配置寄存器地址及數值，可將指定地址的配置寄存器設為指定數值；

2)SPI READ用于讀取配置寄存器內數值。

本設計中傳感器使用四通道輸出，傳感器工作在10bit模式下，使用5MHz主時鐘，50MHz LVDS輸出，外部曝光模式，曝光時間80ms，邊沿對齊DDR CLK模式，訓練字選用55H。參數配置的部分寄存器如表2所示。

2.2.3 啟動傳感器訓練與同步

參數配置完成后，啟動傳感器訓練與同步。從參數配置完成至啟動數字圖像輸出至少需要間隔20個時鐘周期，在此時間段內進行傳感器訓練與同步。

控制字包含的信息如表3所示，表中所列控制字經傳感器端口OUTCTR由傳感器串行輸入FPGA。傳感器訓練與同步的目的是由傳感器輸出的控制字Ctrl_byte，解析出幀同步信號FVAL、行同步信號LVAL、像素同步信號DVAL、曝光結束標志信號FOT、傳感器積分標志信號INTE1、INTE2，使得FPGA獲取傳感器狀態，以實現對傳感器的控制。

表2 部分參數配置表

表3 控制字說明表

2.2.4 曝光與數字圖像輸出進程

在完成傳感器訓練與同步后，開始曝光與數字圖像輸出進程。CMV4000共有16路差分輸出，本設計使用4路通道輸出。采用外部曝光模式，FPGA給出外部曝光信號后，傳感器接收到曝光信號開始進行曝光，FPGA再給出幀請求信號Frame_req，圖像就會逐行讀出，每行有2048個像素點，共計2048行。每行像素點通過4路差分對同時輸出，即當每個差分對輸出512個像素點時，一行圖像就輸出完畢，如此反復2048次，一幀便輸出完畢。而每512個像素點都是串行輸出，其中每個像素點10bits，則是從最低位(LSB)到最高位(MSB)依次輸出的。

外部曝光請求信號T_EXP、幀請求信號Frame_req及幀周期的關系如圖5所示。

圖5 外部曝光與幀請求時序圖Fig.5 Timing chart of external exposure and frame request

3 實驗驗證

完成ASG043國產傳感器的硬件電路調試以及FPGA軟件調試后，實現了通過LVDS傳輸傳感器圖像，與CMV4000進口傳感器進行對比，以評價國產傳感器成像效果。如表4所示，在黑白圖比較下，ASG043全圖標準差與進口CMV4000傳感器標準差相近，全圖均值與進口傳感器相差不大，圖像一致性與成像質量優秀。

表4 黑白圖

純色圖測試后，使用光星模擬器使得傳感器輸出含有星點的圖像，使用進口與國產傳感器進行對比測試。為保證對比的有效性，星點能量應不飽和[15]，所有星點亮度值均在灰度0～255范圍內，選取位置與亮度不同的5顆星進行對比，星點成像圖如表5所示。通過對5個星點的成像對比可知，國產傳感器對于星點的成像效果與進口傳感器相似，星點能量和相近且部分星點能量和較高。

表5 星點成像圖

4 結 論

本文開展了對CMV4000傳感器國產化替代的研究工作，主要從硬件電路和FPGA軟件設計兩個角度開展替代工作研究，在原有的搭載FPGA A3PE3000星敏感器硬件與VHDL代碼的基礎上進行設計和修改，實現了ASG043傳感器的正常運行。經過黑白圖及星點成像測試，其圖像質量與進口傳感器相似，滿足星敏感器產品使用要求，因此國產ASG043傳感器可替代進口CMV4000傳感器。