基于fpga的cmos线阵图像传感器数据采集系统设计

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1、基于FPGA的CMOS线阵图像传感器数据采集系统设计樊红星，张小超，刘磊，周鹏，赵博（中国农业机械化科学研究院土壤植物机器国家重点实验室，北京100083）摘要：针对日本滨松公司的CMOS线阵图像传感器G9214?512S，设计基于FPGA的同步工作模式的图像数据采集系统，使用VHDL语言对此系统进行描述，并用XilinxISEDesignSuit自带的ISim软件对设计的时序进行仿真。采用Xilinx公司的Spartan3XC3S200A?4VQ100进行FPGA配置和验证，仿真结果表明该数据采集系统的时序正确，具有较高的实用价值。.jy

2、qk仿真软件对其进行仿真和验证，结果证明该数据采集系统的时序正确性。1系统简介该数据采集系统由FPGA主控模块，CMOS图像传感器模块和A/D模数转换器模块组成，其系统框图如图1所示。FPGA主控模块提供系统所需要的时序和控制指令，外存储器M25P80存储FPGA配置信息，FPGA内部的FIFO缓存模块采用IP核产生，用来存储采集到的数据，以便后续图像处理系统进行数据处理，其数据缓存容量为10K×16b，一次可以缓存20帧图像信息。CMOS图像传感器将光信号转换成模拟电压信号，输出给模/数（A/D）转换器进行模/数转换。A/D转换器模块将采

3、集到的模拟数据转换成16b串行数字信号，将其存入到FPGA内部移位寄存器，然后存入FIFO缓存器，完成一次数据采集[3]。2G9214?512S图像传感器2.1传感器参数G9214?512S传感器是滨松公司专为近红外多通道光谱仪而设计的InGaAs线性CMOS图像传感器。具有动态范围高、像元小、分辨率高、暗电流小的特点，该传感器参数如下[4]：感光波长为0.9~1.7μm；像元数目为512；像元尺寸为25μm×25μm；动态范围为16666；工作时钟为0.1~4MHz。G9214?512S传感器像元分为具有为奇、偶2路，每路256像元，外部

4、信号对这两路像元的工作进行单独控制，使其工作于同步工作模式或者异步工作模式。同步工作方式驱动方案简单，因此本文所述数据采集系统采用同步工作方式。CMOS芯片的信号处理电路提供了2种工作方式：宽动态范围和高增益模式，在传感器CfSECLECT引脚加高电平实现高增益工作模式，加低电平即可实现宽动态范围工作模式。G9214?512S传感器CMOS芯片结构图如图2所示。G9214?512S片上CMOS电路集成了时序产生电路，因此其时序驱动简单，外部提供给传感器时钟信号和复位信号即可，双相关采样电路可以有效地减小复位噪声，移位寄存器电路可以保证信号准

5、确有效的移出。2.2传感器工作时序图传感器单路工作时序图如图3所示。可以看出，同步工作模式下，传感器需要2个外部输入时序信号：时钟信号CLK和复位信号RESET。本文所述数据采集系统采用同步积分模式：在一个复位周期中，RESET信号保持一段时间高电平，变为低电平，积分结束，等待2个时钟CLK，传感器将256个像元电荷信号以模拟电压形式VIDEO输出，VIDEO的信号周期是主时钟CLK频率的18，输出VIDEO信号的同时，传感器输出一个触发外部操作信号TRIG，用于启动外部A/D转换器的操作，电荷输出结束，进入等待阶段[5]。3模/数转换器A

6、D7961是AnalogDevice公司生产的16b，5MSPS，电荷再分配逐次逼近型（SAR）接口的模/数转换器，具有结构紧凑、功耗低、转换精度高和抗干扰性强的优点。AD7961具有差分输入接口、差分输出接口和差分控制接口，所有转换结果通过一个LVDS自时钟或回波时钟串行接口传送给FPGA[6]。本文采用回波时钟工作模式，其工作模式时序图如图4所示。如图4所示，在V信号上升沿，ADC初始化，传感器开始进行采样，V信号高电平保持一段时间后，变为低电平后，开始有数据输出。FPGA在V信号上升沿一段时间后，给A/D转换器一个获取数据时钟AD_C

7、LK，A/D转换器给FPGA一个回波时钟DCO，转换后的16b数据与DCO同步，在每个DCO上升沿，FPGA获取转换后的16b数字信号。4FPGA主控模块FPGA具有可靠性好、集成度高、速度快、引脚数目多、硬件可编程开发灵活、易于维护，适合时序电路设计的特点[7]，由于G9214?512S采用同步工作方式，奇、偶2路信号同步输出，因此需要2路A/D转换器，AD7961采用差分信号控制，所需控制器引脚较多，FPGA引脚数目多的优点满足了此要求。VHDL是一种标准硬件描述语言，广泛应用于数字系统的建模和仿真。在分析G9214?512S传感器工作

8、的基础上，设计采用Xilinx公司的Spartan3XC3S200A?VQ100，开发语言采用VHDL，采用模块化设计，开发工具采用Xilinx的ISEDesignSuite14