智能APS控制器的设计与实现

　　0　引言

　　CMOS有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)是近年来兴起的一种硅固态成像器件,它具有抗空间辐射能力强、动态范围宽、功耗低、单电压供电、接口简单,读取方式灵活、集成度高的特点[1-3],从而得到了广泛应用。它们有些具有I2C接口,可方便应用到系统中;有些不具备总线接口,如赛普拉斯半导体公司(Cy-press Semiconductor Corporation)为空间应用研发的APS图像传感器STAR1000就不具备I2C接口[4],需要增加外部驱动控制电路。现场可编程门阵列(FPGA)具有灵活的现场可编程以及强大的并行处理能力[5-7]。本文利用FPGA设计了APS图像传感器STAR1000的智能驱动控制器。

　　1　APS图像传感器的驱动时序分析

　　APS图像传感器捕获目标图像一般可以分成两个过程:曝光和数据输出。时序信号主要由行复位信号、行选中信号和行输出信号组成,以STAR1000为例,时序要求[8]分别如图1~图3所示。同一行的行复位信号和行选中信号构成了行曝光过程,而行选中信号和行输出信号则构成了行输出过程,将图像采集窗口内所有行的行曝光过程和行输出过程顺序有机地组合在一起,便实现了对目标图像感兴趣区域(ROI)的读取。

　　2　智能APS控制器的设计

　　为了智能驱动控制APS图像传感器STAR1000,实现对目标图像的捕获和数字化,拟实现以下具体功能。

　　1)微控制器可设置/查询目标图像的曝光时间、窗口大小以及在图像传感器感光面上的物理位置。

　　2)接收到微控制器发出的有效命令后,产生完整的APS图像传感器输出一帧图像数据所需要的时序信号,即:产生行复位、行选中和行输出所需要的时序信号,以及与之相对应的A/D转换器工作时序信号,实现目标图像数据的A/D转换。

　　3)自动产生存放当前像元数据的静态存储器(SRAM)单元地址,并产生相应的数据写入控制时序信号,实现数字图像数据的存储。

　　4)完成图像数据的采集后,自动产生微控制器中断信号,并将SRAM的访问控制权交给微控制器。

　　5)微控制器可随时查询APS控制器的工作状态,即可用状态字的不同状态位标志APS控制器的当前工作状态。

　　6)其他功能,如微控制器可选择APS片内数据输出通道,并可查询当前的设置值;微控制器可选择APS片内输出放大器的增益系数,并可查询当前的设置值。根据以上具体功能,选用Xilinx公司Spartan-2系列的FPGA器件XC2S200,采用自上而下的设计思想,用VHDL语言进行硬件描述[9-10],把系统分为3个模块,如图4所示。

　　1)微处理器接口信号控制模块(McuCtrl),产生与微控制器接口所需的控制信号,主要包括片选信号(MCS)、读控制信号(MRD)、写控制信号(MWR)、数据总线信号(MDATA [15.. 0])、地址总线信号(MADDR[23..0])和中断信号(MINT)。