CMV4000国产化替代芯片验证平台设计*
时间：2023-06-10 22:40:10 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
温兆伦，马有为，刘 冰，刘 轩，潘 迪
(上海航天控制技术研究所·上海·201109)
随着大规模集成电路技术的提升，CMOS图像传感器的性能指标已接近并超过CCD图像传感器[1]。由于CMOS传感器性能优越、体积小，被广泛地应用于空间探测、星敏感器导航等领域[2-7]。相关领域研究人员使用CMOS传感器搭建高精度相机系统，获取到清晰的图像，文献[8-11]使用大面阵CMOS传感器设计相机电路硬件，实现高分辨率的图像输出功能。文献[12-14]使用FPGA进行图像传感器时序驱动，设计出高性能相机系统。CMV4000是比利时CMOSIS公司设计的一款CMOS传感器芯片，其抗辐射性能等可靠性指标不佳，对应的国产化替代芯片为上海集成电路生产的ASG043传感器芯片。ASG043芯片与CMV4000封装一致且具有抗辐照指标，是国内替代CMV4000芯片的理想选择，目前已有多家航天单位应用，厂家具有航天级芯片出货能力。本文从硬件电路和FPGA时序设计两个角度开展替代工作研究，设计了验证平台开展验证并进行替代前后黑白图以及采集星点图像的对比，最后对成像效果做出评价。
ASG043传感器芯片有效像素为2048×2048，图1所示为芯片模块示意图。该芯片支持SPI接口与LVDS图像输出接口，LVDS提供16对差分输出，可通过SPI控制寄存器调节PGA、 ADC以及Offset等参数，起到改变图像增益的作用。
首先对两个传感器的参数进行详细对比，根据芯片手册信息(表1所示)，对传感器芯片的抗辐照指标、封装参数、供电电压、时钟频率、Pixel指标、CIS指标以及其他指标均进行对比分析。
图1 ASG043传感器芯片模块示意图Fig.1 Schematic diagram of ASG043 sensor chip module
表1 CMV4000与ASG043芯片参数对比表
对比元器件手册信息以及经过与厂家信息确认可知，两款传感器芯片的主要差异如下：
1)抗辐照指标不同。ASG043具有抗辐照指标，在辐照环境下可靠性更优。
2)外形尺寸不同。主要体现在ASG043高度较进口器件高，在安装使用过程中应注意调整光学距离。
3)像素分布不同。ASG043有效像素与进口器件相同，但是暗像素与进口器件不同，因此该芯片光学中心相对于结构中心有偏移;同时ASG043传感器成像相位与进口器件相差90°，应用过程中可通过结构件调整以及软件代码调整解决。
4)供电电压不同。ASG043为3.3V，2.5V，1.2V供电，供电端需要并联大电容100μF。
5)量子效率曲线不同。在400nm～700nm波长范围内，进口与国产量子效率相差不大；
对于700nm以上的波长，国产传感器芯片ASG043的量子效率低于进口器件。
6)上电驱动时序不同。ASG043上电时序加入了RESET_N管脚，需要对FPGA的传感器驱动代码进行适应性更改，以满足上电运行要求。
2.1 电路设计
星敏感器的FPGA A3PE3000为传感器芯片ASG043提供驱动时序，ASG043将数字图像信号返回至FPGA，FPGA将图像数据传送至SRAM中，图像数据主要通过LVDS芯片传输。图2所示为ASG043电路设计原理图。
图2 ASG043电路原理图Fig.2 Circuit schematic diagram of ASG043
本次ASG043的电路设计使用FPGA产生5MHz时钟并通过CLKIN输入。芯片供电为4路供电，分别为模拟电压2.5V、像素电压3.3V、I/O供电3.3V、数字电压1.2V。VDDP为pixel供电，工作时在曝光阶段会有一个大的μs级尖峰电流，所以需要在电源VDDP输出端放置大电容，滤除低频噪声以及提高尖峰电流驱动，电容并联选取100μF,10μF,0.1μF。为了避免数字地对pixel地的干扰，建议将两个地分开处理。
2.2 代码设计
图3所示为软件流程图，传感器上电后，FPGA对传感器的执行步骤如下：
图3 软件流程图Fig.3 Software flow chart
1)传感器初始化执行1次；
2)全部SPI参数配置执行1次，之后每一帧FOT中配置部分SPI参数；
3)部分SPI配置、传感器训练与同步、曝光与数字图像输出这3个步骤无限循环，不断地输出图像数据帧。
2.2.1 传感器初始化
传感器初始化的任务是产生初始化时序和SPI配置。具体要求如下：
1)FPGA向传感器时钟端口CLK输出5MHz主时钟信号；
2)FPGA接收50MHz晶振时钟后输出50MHz LVDS时钟；
3)传感器初始化时CLK、SYS_RES_N、RESET_N的时序特征如图4所示。
图4 传感器初始化时序与SPI配置示意图Fig.4 Schematic diagram of sensor initialization timing and SPI configuration
传感器初始化完成后进行传感器工作参数初始化SPI参数配置。
2.2.2 SPI参数配置
参数配置时SPI_IN、SPI_EN、SPI_CLK的时序要求见图4。参数配置分为SPI WRITE和SPI READ两个过程，含义如下：
1)SPI WRITE用于配置传感器工作参数，以SPI_CLK时钟向SPI_IN输出配置寄存器地址及数值，可将指定地址的配置寄存器设为指定数值；
2)SPI READ用于读取配置寄存器内数值。
本设计中传感器使用四通道输出，传感器工作在10bit模式下，使用5MHz主时钟，50MHz LVDS输出，外部曝光模式，曝光时间80ms，边沿对齐DDR CLK模式，训练字选用55H。参数配置的部分寄存器如表2所示。
2.2.3 启动传感器训练与同步
参数配置完成后，启动传感器训练与同步。从参数配置完成至启动数字图像输出至少需要间隔20个时钟周期，在此时间段内进行传感器训练与同步。
控制字包含的信息如表3所示，表中所列控制字经传感器端口OUTCTR由传感器串行输入FPGA。传感器训练与同步的目的是由传感器输出的控制字Ctrl_byte，解析出帧同步信号FVAL、行同步信号LVAL、像素同步信号DVAL、曝光结束标志信号FOT、传感器积分标志信号INTE1、INTE2，使得FPGA获取传感器状态，以实现对传感器的控制。
表2 部分参数配置表
表3 控制字说明表
2.2.4 曝光与数字图像输出进程
在完成传感器训练与同步后，开始曝光与数字图像输出进程。CMV4000共有16路差分输出，本设计使用4路通道输出。采用外部曝光模式，FPGA给出外部曝光信号后，传感器接收到曝光信号开始进行曝光，FPGA再给出帧请求信号Frame_req，图像就会逐行读出，每行有2048个像素点，共计2048行。每行像素点通过4路差分对同时输出，即当每个差分对输出512个像素点时，一行图像就输出完毕，如此反复2048次，一帧便输出完毕。而每512个像素点都是串行输出，其中每个像素点10bits，则是从最低位(LSB)到最高位(MSB)依次输出的。
外部曝光请求信号T_EXP、帧请求信号Frame_req及帧周期的关系如图5所示。
图5 外部曝光与帧请求时序图Fig.5 Timing chart of external exposure and frame request
完成ASG043国产传感器的硬件电路调试以及FPGA软件调试后，实现了通过LVDS传输传感器图像，与CMV4000进口传感器进行对比，以评价国产传感器成像效果。如表4所示，在黑白图比较下，ASG043全图标准差与进口CMV4000传感器标准差相近，全图均值与进口传感器相差不大，图像一致性与成像质量优秀。
表4 黑白图
纯色图测试后，使用光星模拟器使得传感器输出含有星点的图像，使用进口与国产传感器进行对比测试。为保证对比的有效性，星点能量应不饱和[15]，所有星点亮度值均在灰度0～255范围内，选取位置与亮度不同的5颗星进行对比，星点成像图如表5所示。通过对5个星点的成像对比可知，国产传感器对于星点的成像效果与进口传感器相似，星点能量和相近且部分星点能量和较高。
表5 星点成像图
本文开展了对CMV4000传感器国产化替代的研究工作，主要从硬件电路和FPGA软件设计两个角度开展替代工作研究，在原有的搭载FPGA A3PE3000星敏感器硬件与VHDL代码的基础上进行设计和修改，实现了ASG043传感器的正常运行。经过黑白图及星点成像测试，其图像质量与进口传感器相似，满足星敏感器产品使用要求，因此国产ASG043传感器可替代进口CMV4000传感器。
猜你喜欢 星点时序时钟 顾及多种弛豫模型的GNSS坐标时序分析软件GTSA导航定位学报(2022年5期)2022-10-13清明小猕猴智力画刊(2022年3期)2022-03-28别样的“时钟”数学小灵通·3-4年级(2021年9期)2021-10-12古代的时钟小学生学习指导(低年级)(2020年10期)2020-11-09基于不同建设时序的地铁互联互通方案分析铁道建筑技术(2020年11期)2020-05-22基于FPGA 的时序信号光纤传输系统电子制作(2017年13期)2017-12-15有趣的时钟数学大王·中高年级(2017年2期)2017-02-08星点设计-效应面法优化鹿角胶-脱蛋白骨制备工艺中成药(2016年8期)2016-05-17星点设计-效应面法优化雄黄乳膏剂的处方组成中成药(2016年4期)2016-05-17时钟会开“花”学苑创造·A版(2016年4期)2016-04-16
