基于m9m413的高幀頻相機的設(shè)計

基于m9m413的高幀頻相機的設(shè)計

0高幀頻cd可實現(xiàn)高幀頻發(fā)展在這項工作中，使用了由洛可可生產(chǎn)的mt9m413傳感器，并設(shè)計了一種高視頻療效的cs相機。結(jié)構(gòu)緊湊，功能完善，性能穩(wěn)定可靠，控制方便。1圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)CMOS圖像傳感器基于電荷存儲原理,即pn結(jié)反向充電,然后在光照條件下放大,放電速度隨光照強度的不同而不同。經(jīng)過一定時間的放電,每個像素保留的電荷不一樣,這樣就實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換,把圖像信號由光學(xué)系統(tǒng)聚焦在pn結(jié)象素陣列表面,逐一掃描象素陣列,就能得到一幅圖像的電信號。目前CMOS圖像傳感器主要分為無源象素傳感器(PPS)和有源象素傳感器(APS)。PPS結(jié)構(gòu)簡單,量子效率高,但是缺點是噪聲大,并且不利于向大型陣列發(fā)展;APS在象素中加入了至少一個晶體管來實現(xiàn)對信號的放大和緩沖,改善了PPS的噪聲問題,但惡化了閾值和增益的一致性,也減小了填充系數(shù)。CMOS圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)主要有光敏二極管型無源像素結(jié)構(gòu)、光敏二極管型有源像素結(jié)構(gòu)(見圖1)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu),其它特殊結(jié)構(gòu)還有對數(shù)傳輸型、釘扎光敏二極管型、浮柵放大器型等。一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含:一個圖像傳感器核心、相應(yīng)的時序邏輯和控制電路、AD轉(zhuǎn)換器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和譯碼器等。2系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)相機主要由CMOS圖像傳感器芯片、時序產(chǎn)生和處理單元、控制單元、模擬偏置單元和圖像輸出單元組成,其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。CMOS芯片是相機成像的部件,相機通過CMOS芯片獲取圖像信息并輸出數(shù)字信號。時序產(chǎn)生和處理單元主要由FPGA組成,負(fù)責(zé)產(chǎn)生芯片所需的時序以及對芯片的返回信號進行處理?？刂茊卧饕蓡纹瑱C組成,控制圖像參數(shù)的傳遞和對用戶串口命令的處理。模擬偏置單元是由單片機和數(shù)字電位器組成的I2C總線結(jié)構(gòu),負(fù)責(zé)產(chǎn)生芯片模數(shù)轉(zhuǎn)換、自校準(zhǔn)等所需的模擬偏置電壓。圖像輸出單元為FPGA和Cameralink接口,負(fù)責(zé)圖像的輸出。2.1mt9m393系統(tǒng)的a/d模數(shù)轉(zhuǎn)換器相機使用的圖像傳感器是美國MICRON公司生產(chǎn)的MT9M413CMOS圖像傳感器。它是一款高度集成的單芯片CMOS圖像傳感器,具有高幀頻(0～500fps)、低功耗(<500mW)、大靶面(1280H×1024V)和單一3.3V10%直流電源供電的特點。當(dāng)主頻為66MHz時,數(shù)據(jù)率660Mbps,幀頻500fps,動態(tài)范圍59dB,快門時間范圍為2μs～33ms,片內(nèi)集成10bit自標(biāo)定、全數(shù)字接口的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器,輸出為10個10bit并行數(shù)字輸出端口。MT9M413的工作過程為:像素曝光結(jié)束后,電荷存儲在“PixelMemory”中,在ROW＿STRT＿N信號的作用下,讀出“PixelMemory”中的模擬數(shù)據(jù),進行A/D轉(zhuǎn)換,然后存儲在一個1,280×10位的SRAM存儲器中(ADCRegister);在LD＿SHFT＿N信號的作用下,數(shù)據(jù)從ADCRegister轉(zhuǎn)移到另一個1,280×10位的SRAM存儲器中(OutputRegister);在DATA＿READ＿EN＿N信號的作用下,數(shù)據(jù)從OutputRegister輸出到引腳上。SRAM存儲器可以類似流水線的方式進行操作,當(dāng)一個新的“讀取-A/D轉(zhuǎn)換-存儲”周期開始時,這時可以并行的進行ADCRegister的讀取操作,讀出上個周期得到的數(shù)據(jù)。2.2幀占用時間傳感器的工作時序包括行時序和幀時序,如圖2所示,行時序控制每行1280個像素的輸出,而幀時序控制每幀1024行的輸出。在行時序中,10位行地址總線ROW＿ADDR輸入選擇讀出的像素行,ROW＿STRT＿N信號表示每一行的開始,當(dāng)其有效時,地址信號ROW＿ADD[9:0]必須有效,原則上要求地址信號持續(xù)至少66個系統(tǒng)時鐘周期。ROW＿STRT＿N信號開始從像素行讀模擬數(shù)據(jù)、進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并存儲在ADC寄存器中,當(dāng)這一系列工作完成后(ROW＿STRT＿N信號下降沿128-129個系統(tǒng)時鐘周期后),傳感器給出一個2個時鐘寬度的回應(yīng)信號ROW＿DONE＿N表示一行的數(shù)據(jù)處理完畢。這時在ROW＿DONE＿N信號的下降沿或者下降沿之后施加LD＿SHFT＿N信號,表示將模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從ADC寄存器轉(zhuǎn)移到輸出寄存器(OutputRegister)里,3個系統(tǒng)時鐘后,在DATA＿READ＿EN＿N信號的作用下,開始對輸出寄存器里的數(shù)據(jù)進行讀取。DATA＿READ＿EN＿N置低電平兩個時鐘后開始新的像素行讀出和轉(zhuǎn)換循環(huán)。在新的行轉(zhuǎn)換的同時允許前面轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號讀出,因此一行的時間是ROW＿STRT＿N信號開始到ROW＿DONE＿N信號返回,或LD＿SHFT＿N和DATA＿READ＿EN＿N信號有效期加上兩個時鐘周期。當(dāng)所有行數(shù)據(jù)都輸出完畢后,便完成了一幀數(shù)據(jù)的輸出,即完成了一個幀時序。相機的幀頻由一幀占用的時間決定,一幀占用時間通常是由曝光時間和數(shù)據(jù)輸出時間構(gòu)成。MT9M413有四種曝光模式,即順序模式(sequentialmode)、同時模式(simultaneousmode)、單幀模式(singleframe)和ERS模式,主要是由信號PG＿N和TX＿N來控制。PG＿N信號置位整個像素陣列的光探測器,開始曝光,TX＿N信號將整個像素陣列的每個像素的電荷由光探測器轉(zhuǎn)移到存儲器中,結(jié)束曝光。本文主要用到了順序模式和同時模式。在順序模式下,前一幀輸出后下一幀開始曝光,一幀占用時間為曝光時間與輸出時間之和。在同時模式下,前一幀在輸出的同時開始為下一幀曝光,曝光通常在前一幀的最后一行結(jié)束,這樣做不需要專門的光積分時間,幀占用時間僅由數(shù)據(jù)輸出時間決定,這種方式縮短了一幀圖像的時間,提高了系統(tǒng)的幀頻。由以上分析可見,傳感器的工作時序比較復(fù)雜,因此用FPGA作為時序產(chǎn)生和處理電路的核心部分,選用Xilinx公司的XC3S1000FPGA芯片,設(shè)計語言為Verilog,產(chǎn)生傳感器所需的SYSCLK、ROW＿ADDR、ROW＿STRT＿N等信號,同時處理傳感器返回的ROW＿DONE＿N和PIXCLK信號。2.3系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置控制單元主要以單片機為核心,如圖3所示,單片機通過RS232串口與上位機進行串行通信,接收并處理來自用戶的命令,對相機系統(tǒng)進行圖像位置、大小、以及質(zhì)量等參數(shù)設(shè)置。單片機與FPGA通過總線方式連接,通過單片機P0口和P2口來給FPGA的寄存器傳遞參數(shù),即把FPGA當(dāng)作單片機的一個外部數(shù)據(jù)存儲器。P2口發(fā)送高位地址,P0口復(fù)用為低位地址和數(shù)據(jù)總線,通過寫FPGA寄存器來控制曝光時間和傳感器工作方式等參數(shù)。由于需要調(diào)試的方便性和參數(shù)的可實時修改性,選擇具有在系統(tǒng)中編程(ISP)和在應(yīng)用中編程(IAP)功能的單片機。最終我們選用Philips公司的P89LV51RD2單片機。2.4模擬偏置單元由于傳感器所需的8個模擬偏置電壓范圍均為0～3.3V,采用MAX5417的分壓模式,H端接3.3V電源,L端接地,W端輸出模擬電壓,通過編程實現(xiàn)對3.3V電壓的256抽頭分壓。系統(tǒng)中的模擬偏置單元是由單片機和數(shù)字電位器組成的I2C總線結(jié)構(gòu)構(gòu)成,其中單片機為主器件,數(shù)字電位器為從器件。選用了4對帶有I2C接口的數(shù)字電位器MAX5417,每對數(shù)字電位器具有唯一的6位固定地址,通過對第7位置0或置1,可使每個電位器具有唯一的7位地址。地址、數(shù)據(jù)及應(yīng)答信號都通過串行數(shù)據(jù)線SDA傳送,一次操作包括從器件地址(7位地址,最低位置0表示寫操作)、命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)。I2C規(guī)范中規(guī)定了SDA,SCL最基本的時序特征,這是所有I2C器件都必須滿足的。每個I2C器件在滿足基本要求的同時,又有各自的時序要求,MAX5417的時序特性如表1。2.5+機械系統(tǒng)fpga由傳感器的參數(shù)可知,工作于全靶面、500fp/s時,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)率為6.6Gb/s,為實現(xiàn)如此高數(shù)據(jù)率的數(shù)據(jù)高速傳輸,對輸出的圖像數(shù)據(jù)采用CameraLink的接口方式,規(guī)范的CameraLink接口使得相機和采集卡之間的連接更通用化,差分傳輸線降低了傳輸線之間的干擾,有利于遠(yuǎn)距離傳輸。相機系統(tǒng)所用傳感器的圖像信號格式為10×10bit,而CameraLink接口在不同的配置下有不同的數(shù)據(jù)格式,如2×10bit、4×10bit和8×8bit等,因此在FPGA中將傳感器的圖像信號轉(zhuǎn)換成符合CameraLink的格式。采用全配置的CameraLink接口,用一個DS90LV049和三個DS90CR287將8×8bit數(shù)據(jù)流、1路幀信號、3路行信號及3路像素時鐘信號轉(zhuǎn)換成高速LVDS數(shù)據(jù)流進行傳輸,發(fā)送到圖像接收端供采集卡接收。圖4為系統(tǒng)主頻40MHz、全靶面、幀頻為100ps時,相機工作于同時模式時所拍攝的圖像。3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計從小型化的角度考慮,避免所有器件在一塊PCB板上從而使得PCB板面積過大,采用三塊大小相同的六層PCB板,每塊大小為6cm×6cm,板間通過連接器相連。前端板主要包括傳感器芯片和數(shù)字電位器部分,中間板主要包括MCU、FPGA及其各自的附屬芯片,后端板主要包括CameraLink接口部分和電源部分,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,圖5為相機的實物圖。由于系統(tǒng)中有數(shù)?；旌想娐?因此對模擬電路的抗干擾設(shè)計是必須考慮的,本系統(tǒng)中,PCB板上數(shù)字電路部分和模擬電路部分分開,采用統(tǒng)一地平面,模擬信號由數(shù)字電位器產(chǎn)生,前面用LC濾波器濾波,進入傳感器芯片之前經(jīng)過磁珠的濾波,實際效果滿足要求,模擬電壓偏差小于1%。4cd圖像傳感器設(shè)計了一款基于Micron公司MT9M413CMOS圖像傳感器的高幀頻相機,系統(tǒng)中使用FPGA和單片機作為處理和控制單元,采用串口和I2C總線結(jié)構(gòu)對系統(tǒng)進行控制。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定、成本低、控制方便,預(yù)計下一步對結(jié)構(gòu)上進行改進之后,具有開發(fā)成產(chǎn)品的潛力。CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconduc-tor)圖像傳感器是固態(tài)圖像傳感器的一種,它的研究始于20世紀(jì)60年代末,受當(dāng)時工藝技術(shù)的限制,發(fā)展和應(yīng)用有限。直到20世紀(jì)90年代初,隨著大規(guī)模集成電路設(shè)計技術(shù)和信號處理技術(shù)的提高,CMOS圖像傳