基于FPGA的CMOS图像传感器的方案开发.pdfVIP

基于FPGA的CMOS图像传感器的方案开

发

摘要：本文基于FPGA和CMOS图像传感器，使用Verilog语言对CMOS传感

器的图像信号进行采集，缓存，ISP，然后经过USB3.0传输到PC上位机进行显

示，完成了对图像的整体采集方案。最后经过试验，证明该系统是正确的，有效

的。本系统可用于工业检测，汽车环视，医疗影像及其他行业，具有很高的实用

价值。

关键字：FPGA；CMOS；易灵思；安森美

引言

传感器是一种非常常见的光电转换的设备，它将每个物理位置上间断的采样

触发点上的光强，色彩，电流大小，电压大小等信号按照特定规律转换成有矢量

性质的连续数字信号。在过去的的图像传感器工艺中中，采用了光学镜头和光敏

二极管完成对图像信息的采集。然而随着制程的发展，需要更高精度和更高分辨

率的采集方案。因此，本文提出了一种基于FPGA和CMOS图像传感器的驱动方案。

FPGA实现了sensor的图像信号的采集和处理，并对sensor进行控制；同时，对

处理后的数据进行传输到上位机的操作。通过FPGA与CMOS图像传感器之间的数

据交换，完成了CMOS图像传感器的驱动电路设计。这种方案具有高灵敏度、大

动态范围和高色彩还原能力等优点，可用于各种图像采集应用场景

一、CMOS驱动系统设计

在CIS驱动系统中，以sensor为中心，完成了对图像传感器的数据读取和

寄存器控制写入。在此基础上，时序模块由VerilogHDL语言编制而成，由SPI

有效图像寄存器配置，LVDS图像信号输入、LVDS图像信号同步校准三部分组成。

其中，spi读写寄存器配置信息，FPGA上电后读取ROM信息进行配置，；LVDS

共14个通道，传输奇偶两组图像数据，传输速率777.6Mbps，不间断采集；在传

感器稳定工作后，FPGA判断采集的数据是否和传感器发送的一致来进行时钟相位

的校准；达到一致后，即完成了CIS驱动模块的设计。

1.1sensor参数

XGS-12000是一种集模拟图像采集、模数转换、数字信号处理于一体的

CMOS有源图像传感器。这个传感器有1200个像素，12位AD采样下，最大帧率

可以达到90FPS，最高分辨率为4096*3072；24路数据传输通道，图像有黑白和

彩色两种模式，具有宽动态的超高性能：

感应器的分辨率：4096(H)x3072(V)

像素大小：3.2微米*3.2微米；

感应器大小：1英寸大小；

像素输出频率：777.6Mbps；

芯片上ADC:12位；

工作方式：全局快门（GlobalShutter）。

1.2COMS芯片的上电处理过程

传感器刚开始工作时，会在4个状态机内进行状态切换，分别为上电阶段，

复位阶段，初始化阶段，最后到捕获数据阶段；

上电阶段：传感器遵循严格的上电时序，共有VDD_IO==1.8V，

VDD_PLL==2.8V，VVDD==1.8V，VAA==2.8V，VAA_PIX/VAA_PIX_BST/VAA_RD==3.0V，

VDD_SLVS==0.4V/1.2V，共五组电源，每一组电源按顺序，最少需要100us的稳

定时间；

复位阶段：当电源稳定后，外部晶振给传感器最小30MHz，标准32.4Mhz的

时钟，最少30ms稳定后，外部控制芯片或者利用RC复位电路，将传感器的Hard

Reset拉高，对于30M的时钟来说，最少需要复位30个时钟周期，无上限要求；

初始化阶段：复位结束，主控芯片就可以通过SPI引脚或者IIC引脚对传

感器进行初始化操作，一般有500个寄存器需要配置，串口的速度一般在15Mhz；

配置完寄存器，传感器会通过调用内部的PLL（锁相环模块）,整个时间大约

70us左右，之后就可以正常工作了）；

捕获数据:用户通过处理芯片访问读取寄存器reg=3800，只要返回的数据是

0*0001,那么就代表传感器可以传输正确的图像，主控就可以开始进行图像信号

的采集；

1.3COMS芯片的工作处理过程

通常的工作我们一般工作在流水线快门模式下，这个模式下，传感器光学

部