采用CPLD和VHDL语言实现CMOS APS图像传感器时序控制电路的设计

1、引言

CMOS图像传感器是近年来发展十分迅速的一种新型固态图像传感器。它将图像传感器阵列、时序控制电路、信号处理电路、A／D转换电路以及接口电路等集成在一体，使其具有体积小、功耗低、集成度高、控制简单、成本低等优点，因此在数字图像采集等方面得到广泛应用。

本文在分析了PB-1024 CMOS APS图像传感器的工作原理和时序要求的基础上，设计了简单合理的时序控制电路。该设计采用复杂可编程逻辑器件（CPLD）作为硬件设计平台，VHDL语言为设计描述方式，并通过Xilinx公司的Foundation软件进行了系统仿真。

2、PB-1024 CMOS APS图像传感器

2.1 特性、结构及原理

PB-10244是美国Photobit公司生产的百万像素CMOS APS图像传感器。其图像分辨率为1024H×1024V，像元尺寸10.0μm×10.0 μm，在主时钟频率为66 MHz时，最大数据传输速率为528 Mbit／s，对应的采样速率为500帧／s，且片内集成了8位A／D转换器。

PB-1024 CMOS APS图像传感器将像素矩阵、A／D转换电路及时序控制电路等集成在一起，其内部结构由图1所示的几个功能模块组成。当光照射到像素阵列上时发生光电效应，在像素单元内产生相应的电荷。在时序电路的控制下，行选择逻辑单元根据行地址总线选通相应的行像素单元，行像素单元内的图像信号通过各自所在的列信号总线，传输到对应的模拟信号处理单元和A／D转换器，转换后的数字信号首先被存储在A／D转换寄存器中，然后在输出控制电路的作用下，转移到输出寄存器中，最后8×8位的数字信号经放大后输出。

2.2 时序分析

PB-1024 CMOS APS图像传感器所需的时序驱动控制信号主要有：采样开始信号ROW_STRT_N、数据转移信号LD_SHFT_N、数据允许输出信号DATA_READ_EN_N等，其驱动控制时序如图2所示。

在光积分期间，通过10位行地址总线（ROW_ADDR）选通有效的像素行，当采样开始信号有效时（ROW_STRT_N为低电平），开始从有效的像素行中读取模拟信号，经A／D转换后，将数字信号存储在A／D转换寄存器中。完成以后，图像传感器送出数据读取完成信号（ROW_DONE_N为低电平）给驱动控制器，驱动控制器发出数据转移信号（LD_SHFT_N为低电平），此时数字信号从A／D转换寄存器中转移到输出寄存器中。在数据转移信号有效的一个时钟周期后，数据允许输出信号开始有效（DATA_READ_EN_N为低电平），数据从输出寄存器中输出。

3、 时序控制电路的CPLD实现

3.1 复杂可编程逻辑器件

在设计中，由于来自PB-1024图像传感的8×8位数据输出端口要用到64个I／O口、行地址需要10个I／O口、其他控制信号需要45个I／O口，这样共需要119个用户自定义的I／O口。为此选用美国Xilinx公司生产的XC95288XL复杂可编程逻辑器件来实现对PB-1024 CMOS APS图像传感器的驱动控制。XC95288XL共有208个输出端口，其中有168个用户可编程的I／O口，完全可以满足系统设计的需求。基于CPLD的PB-1024 CMOS APS图像传感的驱动控制单元如图3所示。

3.2 驱动电路的VHDL设计

通过对PB-1024 CMOS APS图像传感器的时序分析可见，时序控制电路的设计规模较大、复杂程度较高且速度要求较快，因此为了满足高频帧的时钟要求，设计采用VHDL语言来实现，主要产生PB-1024的输入时钟信号和数据的采集、转移和输出信号。

为保证采集到的图像能够实时地显示在XGA监视器上，系统时钟频率按照XGA监视器的扫描频率75 Hz来确定。由于场消隐期的存在，即每一行的输出信号都会包含一些哑像元，每一场图像的输出也会包含一些哑行，所以在设计时为保证不会采集到消隐电平，使每一个有效像素与每一位有效数据的输出——对应，因此确定一场图像的实际大小为1328×803。这样得到的行频为60.225 kHz，点频为80 MHz，因此用80 MHz的时钟频率作为CPLD内部的全局时钟频率。但由于图像在传输过程中受到低速XGA电缆发送速率75帧／s的限制，所以PB-1024 CMOS APS图像传感的输入时钟频率只能达到10 MHz，这可由一个8分频的计数器完成。

数据的采集、转移和输出的过程为：当全局复位信号RESET=1时，系统停止工作，这时所有计数器清零。当RESET=0时，系统处于采集状态。采集一场图像的过程为：当全局时钟信号VCLK的下降沿来到时，列计数器（HCOUNTB）开始计数，在输出若干个过渡像元后开始有效数据的采集和转移（LD_SHIFT为低电平），在一个全局时钟周期后数据开始允许输出（DATA_READ_EN为低电平），当列计数器计数到1024时，停止数据的转移和输出。当列计数器计数到1327时，行计数器（RSTV-COUNT）加1，列计数器清零，开始下一有效像素行数据的采集、转移和输出。当行计数器计数到768时，完成一帧图像的采集，当行计数器计数到803时，完成一场图像的采集。

3.3 设计验证

采用Xilinx公司的Foundation软件对时序电路进行仿真，仿真波形如图4所示。通过与图2的比较，可以看出产生的驱动控制信号波形与PB-1024 CMOS APS图像传感器所需时序控制关系基本吻合，能够达到PB-1024 CMOS APS图像传感器的时序要求。

4、结 论

采用CPLD对CMOS APS图像传感器的驱动电路进行设计，使原来复杂的电路设计变成只需一片CPLD芯片就能完成，而且电路成倍简化、体积减小、功耗降低，从而提高了图像传感器的抗干扰能力、可靠性和稳定性。

责任编辑：gt