基于CPLD的高帧频CMoS相机驱动电路设计

1 引言

互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器具有功耗低，集成度高和易于控制等特点，其信噪比，光灵敏度和动态范围等性能可与成熟的电荷耦合器件(CCD)图像传感器相媲美，因此，CMOS图像传感器为发展微型化、数字化和多功化成像器件开辟了新思路。高分辨率、高帧频的CMOS图像采集系统在高速运动分析、高速物体追踪及高速变化过程罔像的获取等领域应用广泛。

2 高帧频COMS相机电子学系统模块

相机电子学系统包括CMOS图像传感器焦平面板和驱动控制板，原理结构如图1所示。主要功能模块包括：CMOS图像传感器、LD0电源调整电路及滤波电路、时序电路、时钟电路、图像数据接口电路、RS422驱动电路，以及低压差分电路等。



2．1 焦平面板

经滤波电路平台输出+5 V二次电源电压，冉经LD0电压调整电路输出+3.3V电压。该电压经滤波后向图像传感器及偏置电路提供电源。
MT9M413内部集成有10 bit A／D转换器(简称ADC)，可直接输出3.3 V的数字信号。时序驱动板CPLD的端口电压为+3.3 V，因此两者之间可直接传输信号，无需电平转换电路。MT9M413含有10个输出通道，数据总线多达100条，因此采用微型板问连接器连接焦平面板和驱动控制板，以减小电路板体积和质量。

2．2 驱动控制板

驱动控制板是相机控制系统的核心，其作用主要包括：产生MT9M413的丁作时序；FIF0读写控制；实现间接指令接口RS232(RS422电平)；实现图像输出接口(LVDS电平)。驱动控制板的时序信号和控制信号通过FPGA实现，综合考虑速度、器件容量、工作温度、功耗及抗辐射能力等因素，选用Actel公司的APA600型FPGA，该器件内置2个锁相环，I/O电压为+3．3V，内核电压为+2．5 V，属于低功耗器件。   

2．2．1 MT9M413图像传感器工作原理

MT9M413是Micron公司的具有3.3V电源，1．31 M像素的CMOS数字图像传感器，其分辨率为l 280 H×1 024 V；主时钟为66 MHz时，帧频可达500f/s；动态范围为59 dB；快门时间范围为10μs～33 ms。片内集成10 bit自标定、全数字接口的ADC。MT9M413功能框图如图2所示，其功能组件包括：像元阵列、行地址选择逻辑、列放大器组、l 280个10位ADC模块、ADC寄存器和读出寄存器模块。



MT9M413的时序关系如图3所示。10位ROW—ADDR行地址总线输入选择读出的像素行，ROW_STRT_N信号开始从像素行读模拟数据，并数字化地存储在ADC寄存器中，当这一系列工作完成后，器件输出ROW_DONE_N信号。当DATA_READ_EN_N信号有效时，LD_SHFT_N信号低电平有效，从ADC寄存器开始向输出寄存器转移数字数据，DATA_READ_EN_N信号使输出寄存器使能。DATA_READ_EN_N置低保持两个时钟后。开始读取新像素行和转换循环。在新行转换同时允许读取先前转换的数字信号，因此行周期是从ROW_STRT_N信号开始到。ROW_DONE_N信号返回，或在LD_SHFT_N和DATA_READ_EN_N信号有效周期加两个时钟的时间。PG_N(PGl+PG2)信号同时置位整个像素阵列的光探测器进行光积分；TX—N信号同时为整个阵列的每一个像素转移光探测器的电荷到存储器，结束光积分。必须注意的是，在连续模式下，PG—N和rrx—N脉冲必须持续64个SYSTCLK时钟周期；在ROW—STRT_N为低电平时，ROW—ADDR地址总线才有效，且至少持续66个SYSCI．K时钟周期。通过增加光积分阶段的行转移脉冲个数调整曝光时间。对MxN阵列的CMOS器件．Ⅳ个行转移周期即可完成一帧图像的所有行转移。为了增大积分时间，可以增加行转移的数量，使得行转移脉冲个数大于Ⅳ，当然在第Ⅳ个转移周期之外的信号无效。   



图像信号从10个通道同步读m，每个通道的位宽均为10 bit．每个通道所对应的像元编号如表1所示。



整帧图像输出需要128个时钟周期。随后将1。5通道合并成一路50 bit数据：6～10通道合并成一路50 bit数据，分别缓存在两个数据FIF0中．每个FIFO的容量为128 KxS0bit．并将上述两路信号传输给FPGA进行并．并转换，最后输m一路10 bit并行图像数据。

2．2．2 FIFO读写控制

由于M’F9M413每个时钟周期可同时输出100位数据，必须经过FPGA并。并转换。转换成10位数据供LV：DS数据采集卡使用。为了避免丢失高速数据，必须在中间加入数据缓存器。该系统设计选用两片128 KxS0 bit的FIFO。它是一种高速、低功耗的先入先出型缓存器。

2．2．3 基于VHDL硬件电路的实现

VHDL硬件描述语言支持自上而下的设计方法。根据自上而下的设计方法，确定输入／输出信号，同时根据时序划分功能模块，然后把所有的输入／输出信号分配到各个功能模块中，每个功能模块分别进行VHDL设计输入、功能仿真、后仿真。在各个功能模块实现各自功能后，例化到顶层设计中，完成顶层的VHDL设计输入、功能仿真、综合、后仿真。直至达到设计要求。部分VHDL硬件捕述如图4所示，其中R1是帧计数，R2是行计数。总曝光时间的计算公式如下：总曝光时间=Rl×行周期×l 024+(1 023一R2)×行周期。