1 引言

互補金屬氧化物半導體（CMOS）圖像傳感器具有功耗低，集成度高和易于控制等特點，其信噪比，光靈敏度和動態范圍等性能可與成熟的電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器相媲美，因此，CMOS圖像傳感器為發展微型化、數字化和多功化成像器件開辟了新思路。高分辨率、高幀頻的CMOS圖像采集系統在高速運動分析、高速物體追蹤及高速變化過程罔像的獲取等領域應用廣泛。

2 高幀頻COMS相機電子學系統模塊

相機電子學系統包括CMOS圖像傳感器焦平面板和驅動控制板，原理結構如圖1所示。主要功能模塊包括：CMOS圖像傳感器、LD0電源調整電路及濾波電路、時序電路、時鐘電路、圖像數據接口電路、RS422驅動電路，以及低壓差分電路等。

2．1 焦平面板

經濾波電路平臺輸出+5 V二次電源電壓，冉經LD0電壓調整電路輸出+3.3V電壓。該電壓經濾波后向圖像傳感器及偏置電路提供電源。

MT9M413內部集成有10 bit A／D轉換器（簡稱ADC），可直接輸出3.3 V的數字信號。時序驅動板CPLD的端口電壓為+3.3 V，因此兩者之間可直接傳輸信號，無需電平轉換電路。MT9M413含有10個輸出通道，數據總線多達100條，因此采用微型板問連接器連接焦平面板和驅動控制板，以減小電路板體積和質量。

2．2 驅動控制板

驅動控制板是相機控制系統的核心，其作用主要包括：產生MT9M413的丁作時序；FIF0讀寫控制；實現間接指令接口RS232（RS422電平）；實現圖像輸出接口（LVDS電平）。驅動控制板的時序信號和控制信號通過FPGA實現，綜合考慮速度、器件容量、工作溫度、功耗及抗輻射能力等因素，選用Actel公司的APA600型FPGA，該器件內置2個鎖相環，I/O電壓為+3．3V，內核電壓為+2．5 V，屬于低功耗器件。

2．2．1 MT9M413圖像傳感器工作原理

MT9M413是Micron公司的具有3.3V電源，1．31 M像素的CMOS數字圖像傳感器，其分辨率為l 280 H×1 024 V；主時鐘為66 MHz時，幀頻可達500f/s；動態范圍為59 dB；快門時間范圍為10μs～33 ms。片內集成10 bit自標定、全數字接口的ADC。MT9M413功能框圖如圖2所示，其功能組件包括：像元陣列、行地址選擇邏輯、列放大器組、l 280個10位ADC模塊、ADC寄存器和讀出寄存器模塊。

MT9M413的時序關系如圖3所示。10位ROW—ADDR行地址總線輸入選擇讀出的像素行，ROW_STRT_N信號開始從像素行讀模擬數據，并數字化地存儲在ADC寄存器中，當這一系列工作完成后，器件輸出ROW_DONE_N信號。當DATA_READ_EN_N信號有效時，LD_SHFT_N信號低電平有效，從ADC寄存器開始向輸出寄存器轉移數字數據，DATA_READ_EN_N信號使輸出寄存器使能。DATA_READ_EN_N置低保持兩個時鐘后。開始讀取新像素行和轉換循環。在新行轉換同時允許讀取先前轉換的數字信號，因此行周期是從ROW_STRT_N信號開始到。ROW_DONE_N信號返回，或在LD_SHFT_N和DATA_READ_EN_N信號有效周期加兩個時鐘的時間。PG_N（PGl+PG2）信號同時置位整個像素陣列的光探測器進行光積分；TX—N信號同時為整個陣列的每一個像素轉移光探測器的電荷到存儲器，結束光積分。必須注意的是，在連續模式下，PG—N和rrx—N脈沖必須持續64個SYSTCLK時鐘周期；在ROW—STRT_N為低電平時，ROW—ADDR地址總線才有效，且至少持續66個SYSCI．K時鐘周期。通過增加光積分階段的行轉移脈沖個數調整曝光時間。對MxN陣列的CMOS器件．Ⅳ個行轉移周期即可完成一幀圖像的所有行轉移。為了增大積分時間，可以增加行轉移的數量，使得行轉移脈沖個數大于Ⅳ，當然在第Ⅳ個轉移周期之外的信號無效。

圖像信號從10個通道同步讀m，每個通道的位寬均為10 bit．每個通道所對應的像元編號如表1所示。

整幀圖像輸出需要128個時鐘周期。隨后將1。5通道合并成一路50 bit數據：6～10通道合并成一路50 bit數據，分別緩存在兩個數據FIF0中．每個FIFO的容量為128 KxS0bit．并將上述兩路信號傳輸給FPGA進行并．并轉換，最后輸m一路10 bit并行圖像數據。

2．2．2 FIFO讀寫控制

由于M’F9M413每個時鐘周期可同時輸出100位數據，必須經過FPGA并。并轉換。轉換成10位數據供LV：DS數據采集卡使用。為了避免丟失高速數據，必須在中間加入數據緩存器。該系統設計選用兩片128 KxS0 bit的FIFO。它是一種高速、低功耗的先入先出型緩存器。

2．2．3 基于VHDL硬件電路的實現

VHDL硬件描述語言支持自上而下的設計方法。根據自上而下的設計方法，確定輸入／輸出信號，同時根據時序劃分功能模塊，然后把所有的輸入／輸出信號分配到各個功能模塊中，每個功能模塊分別進行VHDL設計輸入、功能仿真、后仿真。在各個功能模塊實現各自功能后，例化到頂層設計中，完成頂層的VHDL設計輸入、功能仿真、綜合、后仿真。直至達到設計要求。部分VHDL硬件捕述如圖4所示，其中R1是幀計數，R2是行計數。總曝光時間的計算公式如下：總曝光時間=Rl×行周期×l 024+（1 023一R2）×行周期。

3 結語

該系統沒計根據CMOS的時序要求．經仿真調試能夠產生相應的驅動脈沖和偏置電壓，并通過遙控數據的注入，實現了曝光時間的可調控制。