面阵CMOS 像传感器LUPA4000的驱动设计

随着CMOS集成电路工艺的不断发展和完善，CMOS图像传感器发展非常迅速。CMOS图像传感器具有低成本、简单的数字接口、运行简易、高速率可以实现智能处理功能等特点而得到广泛应用；又因其具有噪声低、功耗小、动态范围宽、光谱灵敏度高、超微型化、数字化以及易实现商品化等特点，特别是他将图像传感器阵列、时序控制电路、信号处理电路、A／D转换器以及接口电路等集成于一体，真正实现了单芯片成像，LUPA4000是一款典型的大面阵宇航级的CMOS图像传感器，本文主要描述在本设计中所做的两项主要的工作：在软件上利用VHDL语言描述图像传感器LUPA4000的驱动时序的思想以及在硬件上设计其外围电路的方法。

1 LUPA4000图像传感器

LUPA4000是Cypress公司生产的一款400万像素的CMOS面阵图像传感器，凭借着其在读出速度快(66 M／s)、功耗低(不高于200 mW)、空间应用的可靠性好(能够在强辐射环境中工作)等方面的优势，LUPA4000主要用于天文观测等领域中发挥着其绝对的优势；此外，他还广泛应用于机器视觉以及医疗影像中。在不开窗口的情况下速度可以达到15 f／s；片上集成了2块A／D转换器用来提高像素的读出速度是其又一显著特点；同时，LUPA4000又提供了开窗口模式用以提高读出的速度，所谓开窗口模式是指LUPA4000可以通过对SPI(SPI下文有介绍)可编程特性任意改变他的读出阵列大小。在特定情况下LUPA4000的另一个优越性体现在他可以进行双斜率积分实现对第一次积分的补偿；美中不足的是LUPA4000是一款单色的传感器芯片。这里用图1来说明他的工作原理：

从图1上可以看到，LUPA4000主要有以下几个部分组成：一个像素阵列单元、X方向寻址寄存器以及2个Y方向的寻址寄存器(图上画了1个)、SPI(Serial-Parallel-Interface)列信号放大器等。采用同步快门工作模式，其具体的工作流程主要分为3个步骤：

(1)在图像传感器工作之前，首先应上载SPI；SPI俗称内部寄存器，他决定了图像传感器的读出方向以及是否进行开窗口读出等；上载结束之后，会输出一个eos_spi信号意味着寄存器上载完成。

(2)上载结束之后，图像传感器就可以正常工作。当图像传感器接受到外界的光信号之后，光积分区域便由reset，mem_hl，precharge，sample四个信号控制，实现光电转换，然后把电信号储存到每个像素单元里；

(3)积分结束之后，就进行信号的处理与读出，这是工作最重要的部分，这些环节由sync_y，clock_y，no-rowsel，pre_co，sh_co，sync_x，clock_x控制。

sync_y信号高电平的到来意味着1帧图像开始读出；clock_y信号为高电平时则意味着1行像素开始读出。当1行像素读出时，会有1个行开头时间(ROT)，由no-rowsel，pre_co，sh_co三个信号来控制，这个时间时为了确保输出数据的稳定性，原则上说，ROT越短越好；然后sync_x为高电平的时候，开始行读出，行读出由信号clock_x控制，clock_x时一个66 MHz的周期信号，每个周期读出2个像素；如此反复，当读完最后一行的时候，会输出一个eos_y信号，意味着1帧读出的结束。这就构成了一个循环。

2 时序的设计

根据上面的叙述，就可以清楚LUPA4000的基本工作原理。在具体的时序设计过程中，采用自顶向下(top-down)的设计方法，产生这些数字信号。所谓自顶向下的设计是从系统级开始，把系统划分为若干个基本单元，然后再把每个基本单元划分为下一层次的基本单元，直到可以直接用基本元件实现为止。自顶向下的设计方法方便从系统级划分和管理整个项目，使得复杂数字电路的设计成为可能，并且可以减少设计人员，避免不必要的重复设计。

为了能让其正常工作，需用1块CPLD或者FPGA，通过VHDL语言产生出上述所需要的信号，然后将其送给LUPA4000。可以根据上述所分析的LUPA4000工作的3个阶段，通过有限状态机(state machine)产生具体的信号。状态机是由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调相关信号动作、完成特定操作的控制中心，属于一种时序逻辑电路。通常状态机由3部分组成：当前状态寄存器、下一状态组合逻辑、输出组合逻辑。LUPA4000的具体状态转换如图2所示。

由于LUPA4000所需要的资源不大，故本设计采用1块Altera公司的MAXⅡ系列EPM1270T144C5。本设计使用VHDL语言编写程序代码，利用Altera公司的配套软件QuartusⅡ进行仿真，其具体的仿真结果如图3所示。

其中clk为输入信号，由有源晶振提供；mem_hl，precharge，reset，sample为CPLD输出给LUPA4000的积分信号；sync_y，clock_y，norowsel，re_co，h_co，sync_x，clock_x为读出控制信号。从图3上可以看出，利用状态机来描述时序最显著的特点是：可以避免产生一些毛刺现象。根据手册以及对相关重要信号进行测试分析可以得到，仿真的结果能够满足LUPA4000的信号特性。

3 pcb的设计以及硬件的实现

在系统电路设计中，考虑到小型化，功耗以及升级性和兼容性方面的要求，采用2块电路板通过统一标准接口对接，控制传输板用USB接口与主机连接，采用LDO以及JTAG接口+FPGA作为主要的控制单元的方案。

整个系统按功能和组成分成2个部分，分别制备成2块4层的PCB板。第一部分是前端成像部分，CMOS图像传感器和LDO电源组成，以CMOS图像传感器为核心，加上外围的电阻和电容，以及2个PC104接口，构成前端的电路板；第二部分是后端的时序控制和USB数据采集部分，包括CPLD，JTAG接口和LDO电源和USB传输芯片，构成后端的电路板。这一部分通过PC104接口和与前端相连，输出CMOS图像传感器的控制时序以及USB芯片数据采集的同步时序，进行数据的传输；2个电路板用Protel平台来搭建电路。

按上述方案设计的系统具有以下性能特点：

(1)图像传感器与电源等器件隔离，受干扰较小，保证了成像质量；

(2)采用前后分离的2块PCB设计，在不改变前端成像部分的情况下可以适当调整控制电路的设计，具有很大的灵活性；

(3)采用低成本，高性能的CPLD作为控制部分的核心，降低了设计的成本；

(4)选择低压差稳压器(Low DropOUT Regulator，LDO)作为供电模块，保证了系统工作的稳定性。其具体的硬件连接图如图4所示。

4 结 语

　本设计将传统设计方法和基于芯片的设计方法相结合，采用集成电路及复杂可编程逻辑器件(CPLD)共同实现系统功能，使系统具有集成度高、可靠性好、灵活性强、设计调试方便等特点。本系统用2块电路板完成整体系统的构建，一块用于驱动和控制CMOS图像传感器，以采集连续视频图像；另一块相当于一块USB数据采集卡，将前者采集的图像数据，传输入PC机。这样的设计使得整个系统便于调试，并且接口部分的设计充分考虑了可扩展可更换的要求，便于连接新的模块。

总的来说，该设计包括软件和硬件能够很好的满足LUPA4000的成像需要，实现了对LUPA4000成像系统的一定的开发。从图5可以看到，图像清晰稳定、噪点小，CMOS图像传感器很好的满足了成像的需要。