CMOS圖像傳感器產(chǎn)生于20世紀80年代，由于當時CMOS工藝的制造技術(shù)不高，以至于傳感器在應用中的雜訊較大，商品化的進程一直很慢。至今，隨著工藝的不斷提高，CMOS圖像傳感器的應用范圍也不斷擴大，涉及到數(shù)碼產(chǎn)品、通訊、工業(yè)，醫(yī)療等各領域。與CCD相比，CMOS圖像傳感器具有體積小，功耗低，成本低等特點。Cypress公司的CMOS圖像傳感器IBIS5-B-1300是一款高性能、大動態(tài)范圍的圖像傳感器。圖像傳感器的正常工作需要有正確的驅(qū)動時序信號，本文就圖像傳感器IBIS5-B-1300，給出采用VHDL語言設計的驅(qū)動時序和仿真結(jié)果。

1 IBIS5-B-1300圖像傳感器
1．1 芯片簡介
    Cypress公司的IBIS5-B-1300將模擬圖像獲取、數(shù)字化和數(shù)字信號處理的功能集成在單一芯片中，是一款高性能的CMOS圖像傳感器。這款130萬像素(1 280×1 024)的圖像傳感器可以采用SXGA或VGA格式輸出，幀頻可達27．5 f／s(1 280×1 024)或106 f／s(640×480)。
    其主要特點如下：
    (1)6．7μm的高填充因子像素單元。它可使器件的靈敏度較高，噪聲較小。
    (2)高的動態(tài)范圍(單斜率積分下為64 dB)。當采用雙斜率積分或多斜率積分時，動態(tài)范圍可進一步提高。
    (3)片載可調(diào)整增益和偏置的輸出放大器。它能使信號的抖動限制在片載10 b ADC的輸入范圍之內(nèi)。
    (4)片載40 MHz的10 b ADC。它可直接對輸出模擬信號進行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，該ADC在電氣上與圖像傳感器分離，如果需要，可選擇不經(jīng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換而直接輸出模擬信號。
    (5)隨機開窗模式和亞采樣模式。隨機開窗模式可以只對感興趣的區(qū)域進行讀出；亞采樣模式可以很好地滿足圖像壓縮的需要。
    (6)片載時序與控制邏輯序列發(fā)生器、內(nèi)部寄存器。它可使得設計者用較少的信號來控制傳感器的工作。
1．2 工作原理
    IBIS5-B-1300內(nèi)部有12個寄存器，提供傳感器工作所需的參數(shù)及工作方式。對寄存器寫入的數(shù)據(jù)決定了傳感器的工作狀態(tài)。寄存器的數(shù)據(jù)寫入接口有3種：并行接口、串行三線接口、串行兩線接口?？赏ㄟ^芯片的IF_MODE和SER_MODE管腳接不同的值來選擇不同的數(shù)據(jù)接口模式(如表1所示)。

    并行接口使用16 b并行輸入來載入新的寄存器值。串行3線接口(或串轉(zhuǎn)并接口)使用串行接口將數(shù)據(jù)移入寄存器緩沖器，當完整的數(shù)據(jù)字移入寄存器緩沖器時，數(shù)據(jù)字才被載入當前正在編碼的寄存器。串行2線是一個單向的接口，本文暫不做分析。
    IBIS5-B-1300具有兩種快門方式：卷簾快門和同步快門，用寄存器(0000)的bitO進行設定，“1”為卷簾快門，“0”為同步快門。時序如圖1，圖2所示。

    在卷簾快門模式下，幀頻Frame period=(Nr．Lines×(RBT+Pixel Period*Nr．Pixels))。
    在同步快門模式下，幀頻Frame period=Tint+Tread out=Tint+(Nr．Lines×(RBT+Pixel Period×Nr．Pixels))。其中，Tint為積分(曝光)時間；Nr．Lines為每幀讀出的行數(shù)；Nr．Pixels為每行讀出的像素數(shù)；RBT為行空白時間(典型值為3．5 ms)；Pixel Period為1／40 MHz=25 ns。
    卷簾快門中有兩個y方向的移位寄存器，一個指向正在被讀出的行，另一個指向正在被復位的行，兩個指針由同一時鐘y_clock(行時鐘)驅(qū)動，它們之間的差值代表了光積分時間。在卷簾快門模式下，像素的讀出和復位同時進行，每行像素的復位和讀出是順序進行的(見圖3)。像素的積分時間可以通過寄存器INT_TIME來修改。在這種模式下，像素在不同的時刻感光，因而在采集動態(tài)圖像時會產(chǎn)生模糊。

    在同步快門模式下，所有像素的光積分在同一時刻進行的。所有像素同時被復位，在經(jīng)過光積分后，像素的值被存儲在每個像素的存儲節(jié)點上，然后逐行依次讀出。像素的光積分和讀出是串行的，在像素讀出時，積分被禁止，因而可以避免卷簾快門所產(chǎn)生的動態(tài)圖像模糊的問題。此外，同步快門支持多斜率積分，可獲得比卷簾快門更高的動態(tài)范圍。
    綜上分析，在使用這款成像器芯片時，對快門方式要根據(jù)應用的場合進行選擇，在對快速運動的物體進行捕獲或要求有高的動態(tài)范圍時應選擇同步快門；而在對圖像的幀速率要求較高或要對圖像進行連續(xù)采集時應選擇卷簾快門。

2 基于FPGA的CMOS控制時序的設計
2．1 現(xiàn)場可編程門陣列FPGA
    隨著集成電路的發(fā)展，大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷V泛用于電路設計領域，它具有功耗低，可靠性高的特點，同時大大減小了電路板的尺寸。FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了FPGA在時序設計方面的優(yōu)越性。該設計選用Xilinx公司的Spartan3系列FPGA芯片XC3$50作為硬件設計平臺。Spar-tan3基于VirtexⅡFPGA架構(gòu)，采用90 nm技術(shù)，8層金屬工藝，內(nèi)嵌硬核乘法器和數(shù)字時鐘管理模塊。從結(jié)構(gòu)上看，它將邏輯、存儲器、數(shù)字運算、數(shù)字處理器、I／O以及系統(tǒng)管理資源完美地結(jié)合在一起，使之具有更高層次、更廣泛的應用。
2．2 控制時序的設計
    該設計采用VHDL硬件描述語言，根據(jù)自頂向下的設計方法，將時序控制部分分為三個模塊：復位模塊、寄存器配置模塊和快門模塊。由于寄存器有兩種配置方式，快門模式也有兩種，因而后兩部分都可以再細分為兩個小模塊。三個大的模塊有嚴格的先后關系，必須在前一模塊已完成后，才可開始后一模塊。圖4顯示模塊的劃分及其關系。

    復位模塊是用來產(chǎn)生圖像傳感器所需的SYS_RE_SET信號，使傳感器正常復位，內(nèi)部寄存器清零，為寄存器的配置做好準備。
    寄存器配置模塊是用來配置圖像傳感器內(nèi)部的12個寄存器，提供傳感器工作所需的參數(shù)和方式。其中，參數(shù)有積分時間、積分方式(單斜率或多斜率)、X序列發(fā)生器的時鐘間隔、SS序列發(fā)生器的時鐘間隔、亞采樣方式、開窗位置及大小等。
    快門模塊用于產(chǎn)生傳感器工作所需的一些控制信號，針對快門方式的不同給出所需的時序控制信號。在同步快門的設計中，該設計采用單斜率積分，在此設計基礎上多斜率積分容易實現(xiàn)。
    該設計采用VHDL對各模塊時序進行編程。其中，快門模塊使用狀態(tài)機來實現(xiàn)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換(圖5顯示了卷簾模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，圖6顯示了同步快門的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖)。全局時鐘和ADC時鐘采用DCM即數(shù)字時鐘管理單元來實現(xiàn)。

3 實驗結(jié)果
3．1 仿真結(jié)果
    時序控制電路設計完畢后，需要對各部分進行功能仿真、邏輯綜合以及綜合后仿真，最后對整個系統(tǒng)進行綜合、布局布線，完成時序仿真。對各模塊編程并仿真通過后，將各模塊加載到主函數(shù)top中，采用并行的寄存器配置方式，對卷簾和同步兩種快門方式進行仿真，在Modelsim中的仿真結(jié)果如圖7，圖8所示。

3．2 成像結(jié)果
    將此驅(qū)動時序應用于相機系統(tǒng)，在全幀輸出模式(1 280×1 024)下，對鑒別率靶和靜物進行拍攝，實驗結(jié)果如圖9，圖10所示。由所拍攝結(jié)果可以看出，圖像清晰穩(wěn)定，無明顯變形，CMOS圖像傳感器滿足了成像的需求。

4 結(jié)語
    圖像傳感器驅(qū)動時序的正確與否對其能否正常工作起著決定性的作用。本文在分析CMOS圖像傳感器IBIS5-B-1300工作時序的基礎上，設計了兩種寄存器配置方案和兩種快門方式，并用FPGA內(nèi)嵌的數(shù)字時鐘管理單元(DCM)完成了系統(tǒng)時鐘和ACD時鐘的設計。實驗結(jié)果表明，所設計的驅(qū)動時序可以滿足該圖像傳感器的驅(qū)動要求。