基于FPGA的CMOS線陣圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

樊紅星+張小超+劉磊+周鵬+趙博

摘 要： 針對日本濱松公司的CMOS線陣圖像傳感器G9214?512S，設(shè)計(jì)基于FPGA的同步工作模式的圖像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用VHDL語言對此系統(tǒng)進(jìn)行描述，并用Xilinx ISE Design Suit自帶的ISim軟件對設(shè)計(jì)的時序進(jìn)行仿真。采用Xilinx公司的Spartan 3 XC3S200A?4VQ100進(jìn)行FPGA配置和驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時序正確，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： FPGA； CMOS傳感器； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

中圖分類號： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0129?04

0 引 言

近紅外（NIR）光譜儀是一種測量物質(zhì)對近紅外輻射的吸收率或透過率的分析儀器，由于其檢測過程綠色，無損，快速等特點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)、石油化工、生物化工、制藥業(yè)地質(zhì)學(xué)等領(lǐng)域，近紅外光譜儀也因此成為近年來分析儀器的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一[1]。作為近紅外光譜儀核心器件的光電傳感器的發(fā)展，對高性能光譜儀的研發(fā)起到了重要的推動作用。過去，光譜儀的光電傳感器采用CCD傳感器，但由于CCD型傳感器耗電量大、工藝復(fù)雜、成本較高、驅(qū)動程序復(fù)雜，因此，基于CCD的近紅外光譜儀的發(fā)展緩慢。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，CMOS傳感器誕生，相對于CCD傳感器來說，CMOS圖像傳感器具有成本低、功耗低，集成度高、體積小的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐漸替代CCD應(yīng)用于各種光電檢測系統(tǒng)中，因此，開發(fā)基于CMOS傳感器的光譜儀，發(fā)展前景廣闊，具有較高的市場價(jià)值與實(shí)用價(jià)值[2]。

本文分析了G9214?512S圖像傳感器的工作模式 ，采用FPGA技術(shù)完成了其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使用VHDL語言對所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行描述，最后用Xilinx ISE Design Suit軟件自帶的ISim仿真軟件對其進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，結(jié)果證明該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時序正確性。

1 系統(tǒng)簡介

該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由FPGA主控模塊，CMOS圖像傳感器模塊和A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊組成，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。FPGA主控模塊提供系統(tǒng)所需要的時序和控制指令，外存儲器M25P80存儲FPGA配置信息，F(xiàn)PGA內(nèi)部的FIFO緩存模塊采用IP核產(chǎn)生，用來存儲采集到的數(shù)據(jù)，以便后續(xù)圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其數(shù)據(jù)緩存容量為10K×16 b，一次可以緩存20幀圖像信息。CMOS圖像傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，輸出給模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換器模塊將采集到的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成16 b串行數(shù)字信號，將其存入到FPGA內(nèi)部移位寄存器，然后存入FIFO緩存器，完成一次數(shù)據(jù)采集[3]。

圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖

2 G9214?512S圖像傳感器

2.1 傳感器參數(shù)

G9214?512S傳感器是濱松公司專為近紅外多通道光譜儀而設(shè)計(jì)的InGaAs線性CMOS圖像傳感器。具有動態(tài)范圍高、像元小、分辨率高、暗電流小的特點(diǎn)，該傳感器參數(shù)如下[4]：感光波長為0.9～1.7 μm；像元數(shù)目為512；像元尺寸為25 μm×25 μm；動態(tài)范圍為16 666；工作時鐘為0.1～4 MHz。G9214?512S傳感器像元分為具有為奇、偶2路，每路256像元，外部信號對這兩路像元的工作進(jìn)行單獨(dú)控制，使其工作于同步工作模式或者異步工作模式。同步工作方式驅(qū)動方案簡單，因此本文所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用同步工作方式。CMOS芯片的信號處理電路提供了2種工作方式：寬動態(tài)范圍和高增益模式，在傳感器CfSECLECT引腳加高電平實(shí)現(xiàn)高增益工作模式，加低電平即可實(shí)現(xiàn)寬動態(tài)范圍工作模式。G9214?512S傳感器CMOS芯片結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。G9214?512S片上CMOS電路集成了時序產(chǎn)生電路，因此其時序驅(qū)動簡單，外部提供給傳感器時鐘信號和復(fù)位信號即可，雙相關(guān)采樣電路可以有效地減小復(fù)位噪聲，移位寄存器電路可以保證信號準(zhǔn)確有效的移出。

2.2 傳感器工作時序圖

傳感器單路工作時序圖如圖3所示?？梢钥闯?，同步工作模式下，傳感器需要2個外部輸入時序信號：時鐘信號CLK和復(fù)位信號RESET。本文所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用同步積分模式：在一個復(fù)位周期中，RESET信號保持一段時間高電平，變?yōu)榈碗娖?，積分結(jié)束，等待2個時鐘CLK，傳感器將256個像元電荷信號以模擬電壓形式VIDEO輸出，VIDEO的信號周期是主時鐘CLK頻率的[18]，輸出VIDEO信號的同時，傳感器輸出一個觸發(fā)外部操作信號TRIG，用于啟動外部A/D轉(zhuǎn)換器的操作，電荷輸出結(jié)束，進(jìn)入等待階段[5]。

圖2 G9214?512S傳感器CMOS芯片結(jié)構(gòu)圖

圖3 G9214?512S單路工作時序圖

3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

AD7961是Analog Device公司生產(chǎn)的16 b，5 MSPS，電荷再分配逐次逼近型（SAR）接口的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有結(jié)構(gòu)緊湊、功耗低、轉(zhuǎn)換精度高和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。AD7961具有差分輸入接口、差分輸出接口和差分控制接口，所有轉(zhuǎn)換結(jié)果通過一個LVDS自時鐘或回波時鐘串行接口傳送給FPGA[6]。本文采用回波時鐘工作模式，其工作模式時序圖如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換器回波時鐘工作模式時序圖

如圖4所示，在CNV信號上升沿，ADC初始化，傳感器開始進(jìn)行采樣，CNV信號高電平保持一段時間后，變?yōu)榈碗娖胶?，開始有數(shù)據(jù)輸出。FPGA在CNV信號上升沿一段時間后，給A/D轉(zhuǎn)換器一個獲取數(shù)據(jù)時鐘AD_CLK，A/D轉(zhuǎn)換器給FPGA一個回波時鐘DCO，轉(zhuǎn)換后的16 b數(shù)據(jù)與DCO同步，在每個DCO上升沿，F(xiàn)PGA獲取轉(zhuǎn)換后的16 b數(shù)字信號。