基于VerilogHDL的CMOS圖像敏感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

CMOS圖像敏感器是近年來(lái)興起的一類固態(tài)圖像傳感器。CMOS圖像敏感器具有低成本、低功耗(是CCD耗的1/1000~1/100)、簡(jiǎn)單的數(shù)字接口、隨機(jī)訪問、運(yùn)行簡(jiǎn)易(單一的CMOS兼容電池供給)、高速率(可大于1000幀／秒)、體積小以及通過片上信號(hào)處理電路可以實(shí)現(xiàn)智能處理功能等特點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。有些CMOS圖像敏感器具有標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線接口，可方便應(yīng)用到系統(tǒng)中。有些沒有這類總線接口電路的專用CMOS圖像敏感器需要增加外部驅(qū)動(dòng)電路。由于CMOS敏感器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)絕大部分是數(shù)字信號(hào)，因此可采用FPCA通過Verilog HDL語(yǔ)言編程產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)。Verilog HDL語(yǔ)言是IEEE標(biāo)準(zhǔn)的用于邏輯設(shè)計(jì)的硬件描述語(yǔ)言，具有廣泛的邏輯綜合工具支持，簡(jiǎn)潔易于理解。本文就STAR250這款CMOS圖像敏感器，給出使用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)的邏輯驅(qū)動(dòng)電路和仿真結(jié)果。

　　1 CMOS圖像敏感器STAR250

　　STAR250是一款專為衛(wèi)星天文導(dǎo)航的星跟蹤器（tracker）設(shè)計(jì)的CMOS圖像敏感器。由于太空中含有大量輻射，芯片中加入了抗輻射電路以提高空間應(yīng)用的可靠性。STAR250的技術(shù)指標(biāo)如下：

　　(1)0．5μm CMOS工藝；

　　(2)512x512分辨率，像素大小25μmx25μm；

　　(3)每個(gè)像素4個(gè)光敏二極管，提高M(jìn)TF(幅值轉(zhuǎn)換功能)和減少PRNU(非均一化光響應(yīng))；

　　(4)抗輻射設(shè)計(jì)；

　　(5)片上雙采樣電路抵消FPN(固定模式噪聲)；

　　(6)電子快門：

　　(7)最大30幀／秒；

　　(8)可以取子窗口；

　　(9)片上10位ADC；

　　(10)陶瓷JLCC-84針封裝。

　　STAR250是有源像素的線掃描CMOS圖像敏感器。所有像素的輸出都連接到列總線，并且在列總線上每例都有一個(gè)列放大器。使用二次采樣技術(shù)，控制列放大器可以從讀出信號(hào)中減去光敏單元上一次采集殘留的電荷。片上ADC獨(dú)立于敏感器，可以使用也可以通過軟件關(guān)閉，而用外部的ADC。STAR250為了應(yīng)用方便有多種讀出數(shù)據(jù)的方法(窗口方式、電子快門等)，不同的讀出方式有不同的時(shí)序要求。

　　傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)或打印機(jī)的圖像座標(biāo)系定義左上角為原點(diǎn)(0，0)，在STAR250中定義右上角為原點(diǎn)(0，0)，如圖1。這樣敏感器輸出數(shù)字信號(hào)后能夠方便地轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)格式的圖像，方便后續(xù)的處理。窗口掃描方式是從上向下、從左向右一個(gè)像素一個(gè)像素地掃描。

　　2 STAR250時(shí)序信號(hào)

　　STAR250通過兩個(gè)步驟完成圖像的采集。第一步是逐行掃描RESET像素。行內(nèi)像素RESET后，本行自上一次RESET或讀出后積累的所有光敏電荷被排空。從RESET行像素開始新的曝光周期。第二步是本次曝光周期數(shù)據(jù)讀出。以電壓的形式讀出，然后經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。由于電荷采用排出式讀取，CMOS圖像敏感器的像素讀出不可恢復(fù)，讀取過程也相當(dāng)于RESET像素，所以CMOS敏感器行RESET的速度與讀取速度一樣。

　　STAR250通過三個(gè)指針標(biāo)定整個(gè)圖像地址：Yrd當(dāng)前掃描行，Yrst當(dāng)前RESET行，Yrd當(dāng)前讀出像素。這三個(gè)指針都有相應(yīng)的移位寄存器，通過設(shè)置這三個(gè)寄存器的初始值可以調(diào)整采集窗口的大小和位置。圖像采集的流程圖如圖2。每秒鐘的圖像幀數(shù)通過設(shè)置Yrd和Yrst進(jìn)行控制，曝光周期也由這兩個(gè)量控制。這個(gè)時(shí)間量可以用空間距離(行距)表示，定義DelayLines=Yrst-Yrd+頡Ｓ捎諉懇恍械RESET和讀取時(shí)間是固定的，所以DelayLines如果固定那么幀率也就固定了。將DelayLines轉(zhuǎn)換成像素的有效積分時(shí)間(曝光時(shí)間)，是將Delay-Lines乘以讀取一行像素所用的時(shí)間。讀取一行像素所用的時(shí)間由四部分組成：(1)行中有效像素的個(gè)數(shù)(由行的長(zhǎng)度定義)；(2)讀取一個(gè)像素所用的時(shí)間；(3)像素累積電荷轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的時(shí)間；(4)選擇新一行所用的時(shí)間。例如在主時(shí)鐘頻率為12MHz時(shí)，像素的輸出頻率為主時(shí)鐘的二分頻6MHz，因此一行像素所需要的時(shí)間為512×1/6MHz=85．3μs。再加上換行所需時(shí)間，一行像素的讀取時(shí)間大約90μs左右。因此可以根據(jù)這個(gè)時(shí)間設(shè)置DelayLines來(lái)控制曝光時(shí)間。