溫兆倫，馬有為，劉 冰，劉 軒，潘 迪

(上海航天控制技術(shù)研究所·上海·201109)

0 引 言

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的提升，CMOS圖像傳感器的性能指標(biāo)已接近并超過CCD圖像傳感器[1]。由于CMOS傳感器性能優(yōu)越、體積小，被廣泛地應(yīng)用于空間探測(cè)、星敏感器導(dǎo)航等領(lǐng)域[2-7]。相關(guān)領(lǐng)域研究人員使用CMOS傳感器搭建高精度相機(jī)系統(tǒng)，獲取到清晰的圖像，文獻(xiàn)[8-11]使用大面陣CMOS傳感器設(shè)計(jì)相機(jī)電路硬件，實(shí)現(xiàn)高分辨率的圖像輸出功能。文獻(xiàn)[12-14]使用FPGA進(jìn)行圖像傳感器時(shí)序驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)出高性能相機(jī)系統(tǒng)。CMV4000是比利時(shí)CMOSIS公司設(shè)計(jì)的一款CMOS傳感器芯片，其抗輻射性能等可靠性指標(biāo)不佳，對(duì)應(yīng)的國產(chǎn)化替代芯片為上海集成電路生產(chǎn)的ASG043傳感器芯片。ASG043芯片與CMV4000封裝一致且具有抗輻照指標(biāo)，是國內(nèi)替代CMV4000芯片的理想選擇，目前已有多家航天單位應(yīng)用，廠家具有航天級(jí)芯片出貨能力。本文從硬件電路和FPGA時(shí)序設(shè)計(jì)兩個(gè)角度開展替代工作研究，設(shè)計(jì)了驗(yàn)證平臺(tái)開展驗(yàn)證并進(jìn)行替代前后黑白圖以及采集星點(diǎn)圖像的對(duì)比，最后對(duì)成像效果做出評(píng)價(jià)。

1 可替代性分析

ASG043傳感器芯片有效像素為2048×2048，圖1所示為芯片模塊示意圖。該芯片支持SPI接口與LVDS圖像輸出接口，LVDS提供16對(duì)差分輸出，可通過SPI控制寄存器調(diào)節(jié)PGA、 ADC以及Offset等參數(shù)，起到改變圖像增益的作用。

首先對(duì)兩個(gè)傳感器的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，根據(jù)芯片手冊(cè)信息(表1所示)，對(duì)傳感器芯片的抗輻照指標(biāo)、封裝參數(shù)、供電電壓、時(shí)鐘頻率、Pixel指標(biāo)、CIS指標(biāo)以及其他指標(biāo)均進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 ASG043傳感器芯片模塊示意圖Fig.1 Schematic diagram of ASG043 sensor chip module

表1 CMV4000與ASG043芯片參數(shù)對(duì)比表

對(duì)比元器件手冊(cè)信息以及經(jīng)過與廠家信息確認(rèn)可知，兩款傳感器芯片的主要差異如下：

1)抗輻照指標(biāo)不同。ASG043具有抗輻照指標(biāo)，在輻照環(huán)境下可靠性更優(yōu)。

2)外形尺寸不同。主要體現(xiàn)在ASG043高度較進(jìn)口器件高，在安裝使用過程中應(yīng)注意調(diào)整光學(xué)距離。

3)像素分布不同。ASG043有效像素與進(jìn)口器件相同，但是暗像素與進(jìn)口器件不同，因此該芯片光學(xué)中心相對(duì)于結(jié)構(gòu)中心有偏移;同時(shí)ASG043傳感器成像相位與進(jìn)口器件相差90°，應(yīng)用過程中可通過結(jié)構(gòu)件調(diào)整以及軟件代碼調(diào)整解決。

4)供電電壓不同。ASG043為3.3V，2.5V，1.2V供電，供電端需要并聯(lián)大電容100μF。

5)量子效率曲線不同。在400nm～700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，進(jìn)口與國產(chǎn)量子效率相差不大；對(duì)于700nm以上的波長(zhǎng)，國產(chǎn)傳感器芯片ASG043的量子效率低于進(jìn)口器件。

6)上電驅(qū)動(dòng)時(shí)序不同。ASG043上電時(shí)序加入了RESET_N管腳，需要對(duì)FPGA的傳感器驅(qū)動(dòng)代碼進(jìn)行適應(yīng)性更改，以滿足上電運(yùn)行要求。

2 驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

星敏感器的FPGA A3PE3000為傳感器芯片ASG043提供驅(qū)動(dòng)時(shí)序，ASG043將數(shù)字圖像信號(hào)返回至FPGA，F(xiàn)PGA將圖像數(shù)據(jù)傳送至SRAM中，圖像數(shù)據(jù)主要通過LVDS芯片傳輸。圖2所示為ASG043電路設(shè)計(jì)原理圖。

圖2 ASG043電路原理圖Fig.2 Circuit schematic diagram of ASG043

本次ASG043的電路設(shè)計(jì)使用FPGA產(chǎn)生5MHz時(shí)鐘并通過CLKIN輸入。芯片供電為4路供電，分別為模擬電壓2.5V、像素電壓3.3V、I/O供電3.3V、數(shù)字電壓1.2V。VDDP為pixel供電，工作時(shí)在曝光階段會(huì)有一個(gè)大的μs級(jí)尖峰電流，所以需要在電源VDDP輸出端放置大電容，濾除低頻噪聲以及提高尖峰電流驅(qū)動(dòng)，電容并聯(lián)選取100μF,10μF,0.1μF。為了避免數(shù)字地對(duì)pixel地的干擾，建議將兩個(gè)地分開處理。

2.2 代碼設(shè)計(jì)

圖3所示為軟件流程圖，傳感器上電后，F(xiàn)PGA對(duì)傳感器的執(zhí)行步驟如下：

圖3 軟件流程圖Fig.3 Software flow chart

1)傳感器初始化執(zhí)行1次；

2)全部SPI參數(shù)配置執(zhí)行1次，之后每一幀F(xiàn)OT中配置部分SPI參數(shù)；

3)部分SPI配置、傳感器訓(xùn)練與同步、曝光與數(shù)字圖像輸出這3個(gè)步驟無限循環(huán)，不斷地輸出圖像數(shù)據(jù)幀。

2.2.1 傳感器初始化

傳感器初始化的任務(wù)是產(chǎn)生初始化時(shí)序和SPI配置。具體要求如下：

1)FPGA向傳感器時(shí)鐘端口CLK輸出5MHz主時(shí)鐘信號(hào)；

2)FPGA接收50MHz晶振時(shí)鐘后輸出50MHz LVDS時(shí)鐘；

3)傳感器初始化時(shí)CLK、SYS_RES_N、RESET_N的時(shí)序特征如圖4所示。

圖4 傳感器初始化時(shí)序與SPI配置示意圖Fig.4 Schematic diagram of sensor initialization timing and SPI configuration

傳感器初始化完成后進(jìn)行傳感器工作參數(shù)初始化SPI參數(shù)配置。

2.2.2 SPI參數(shù)配置

參數(shù)配置時(shí)SPI_IN、SPI_EN、SPI_CLK的時(shí)序要求見圖4。參數(shù)配置分為SPI WRITE和SPI READ兩個(gè)過程，含義如下：

1)SPI WRITE用于配置傳感器工作參數(shù)，以SPI_CLK時(shí)鐘向SPI_IN輸出配置寄存器地址及數(shù)值，可將指定地址的配置寄存器設(shè)為指定數(shù)值；

2)SPI READ用于讀取配置寄存器內(nèi)數(shù)值。

本設(shè)計(jì)中傳感器使用四通道輸出，傳感器工作在10bit模式下，使用5MHz主時(shí)鐘，50MHz LVDS輸出，外部曝光模式，曝光時(shí)間80ms，邊沿對(duì)齊DDR CLK模式，訓(xùn)練字選用55H。參數(shù)配置的部分寄存器如表2所示。

2.2.3 啟動(dòng)傳感器訓(xùn)練與同步

參數(shù)配置完成后，啟動(dòng)傳感器訓(xùn)練與同步。從參數(shù)配置完成至啟動(dòng)數(shù)字圖像輸出至少需要間隔20個(gè)時(shí)鐘周期，在此時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行傳感器訓(xùn)練與同步。

控制字包含的信息如表3所示，表中所列控制字經(jīng)傳感器端口OUTCTR由傳感器串行輸入FPGA。傳感器訓(xùn)練與同步的目的是由傳感器輸出的控制字Ctrl_byte，解析出幀同步信號(hào)FVAL、行同步信號(hào)LVAL、像素同步信號(hào)DVAL、曝光結(jié)束標(biāo)志信號(hào)FOT、傳感器積分標(biāo)志信號(hào)INTE1、INTE2，使得FPGA獲取傳感器狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。

表2 部分參數(shù)配置表

表3 控制字說明表

2.2.4 曝光與數(shù)字圖像輸出進(jìn)程

在完成傳感器訓(xùn)練與同步后，開始曝光與數(shù)字圖像輸出進(jìn)程。CMV4000共有16路差分輸出，本設(shè)計(jì)使用4路通道輸出。采用外部曝光模式，F(xiàn)PGA給出外部曝光信號(hào)后，傳感器接收到曝光信號(hào)開始進(jìn)行曝光，F(xiàn)PGA再給出幀請(qǐng)求信號(hào)Frame_req，圖像就會(huì)逐行讀出，每行有2048個(gè)像素點(diǎn)，共計(jì)2048行。每行像素點(diǎn)通過4路差分對(duì)同時(shí)輸出，即當(dāng)每個(gè)差分對(duì)輸出512個(gè)像素點(diǎn)時(shí)，一行圖像就輸出完畢，如此反復(fù)2048次，一幀便輸出完畢。而每512個(gè)像素點(diǎn)都是串行輸出，其中每個(gè)像素點(diǎn)10bits，則是從最低位(LSB)到最高位(MSB)依次輸出的。

外部曝光請(qǐng)求信號(hào)T_EXP、幀請(qǐng)求信號(hào)Frame_req及幀周期的關(guān)系如圖5所示。

圖5 外部曝光與幀請(qǐng)求時(shí)序圖Fig.5 Timing chart of external exposure and frame request

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

完成ASG043國產(chǎn)傳感器的硬件電路調(diào)試以及FPGA軟件調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了通過LVDS傳輸傳感器圖像，與CMV4000進(jìn)口傳感器進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)國產(chǎn)傳感器成像效果。如表4所示，在黑白圖比較下，ASG043全圖標(biāo)準(zhǔn)差與進(jìn)口CMV4000傳感器標(biāo)準(zhǔn)差相近，全圖均值與進(jìn)口傳感器相差不大，圖像一致性與成像質(zhì)量?jī)?yōu)秀。

表4 黑白圖

純色圖測(cè)試后，使用光星模擬器使得傳感器輸出含有星點(diǎn)的圖像，使用進(jìn)口與國產(chǎn)傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。為保證對(duì)比的有效性，星點(diǎn)能量應(yīng)不飽和[15]，所有星點(diǎn)亮度值均在灰度0～255范圍內(nèi)，選取位置與亮度不同的5顆星進(jìn)行對(duì)比，星點(diǎn)成像圖如表5所示。通過對(duì)5個(gè)星點(diǎn)的成像對(duì)比可知，國產(chǎn)傳感器對(duì)于星點(diǎn)的成像效果與進(jìn)口傳感器相似，星點(diǎn)能量和相近且部分星點(diǎn)能量和較高。

表5 星點(diǎn)成像圖

4 結(jié) 論

本文開展了對(duì)CMV4000傳感器國產(chǎn)化替代的研究工作，主要從硬件電路和FPGA軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)角度開展替代工作研究，在原有的搭載FPGA A3PE3000星敏感器硬件與VHDL代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改，實(shí)現(xiàn)了ASG043傳感器的正常運(yùn)行。經(jīng)過黑白圖及星點(diǎn)成像測(cè)試，其圖像質(zhì)量與進(jìn)口傳感器相似，滿足星敏感器產(chǎn)品使用要求，因此國產(chǎn)ASG043傳感器可替代進(jìn)口CMV4000傳感器。