(1．中国科学院光电技术研究所，成都610209; 2. 中国科学院研究生院，北京100039)

摘要：随着大规模集成电路技术的发展，CMOS 图像传感器日益受到重视，广泛应用于各种高速成像系统中。本文设计了一

个基于 MICRON 公司的 MT9M413 图像传感器的高帧频相机，详细介绍了系统的整体结构及原理。 系统具有体积小、结构

紧凑、功能完善、性能稳定可靠、功耗低等优点。

Design of high-frame camera based on CMOS image sensor

(1. The Institute of Optics and Electronics, the Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China;

2. Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China)

Abstract: With the development of large scale integrated circuit technology, CMOS image sensors have received

increasing

attention, widely used in various high speed imaging system. This paper designs a high-frame camera

based on MT9M413 image sensor. The overall structure and system principle is described in detail. The system has the

advantage of small-size, compact, multi-functional, stable, reliable and low power consumption.

Key words: CMOS image sensor; MT9M413,12C bus; single chip computer; FPGA; digital potentiometer

 

 

1）分压电阻之间绝缘主要是要保持空气干燥并有一定的距离。相距3厘米的两点气隙间，阻值大约在5 X 1012次方欧姆的数量级，可以保证泄漏电流的影响极小，为防止湿度的影响，分压电路置于绝缘盒内，盒内放置吸湿剂，并用绝缘密封胶将盒封闭。

2)为了提高电路对机壳的绝缘，整个分压电路置于绝缘密封盒内，密封盒由聚四氝乙烯绝缘板用胶粘合而成。盒的底板与机壳底板间隔五厘米，机壳底板上又覆盖一层高压绝缘橡胶，使盒内电阻端与机壳底板之间绝缘电阻大千lO130。输入端的连线，采用耐压二万伏的高压绝缘电缆，直接与电阻相连，底板采用环氧树脂板，两个输入接线柱用高压陶瓷管封装，再用密封胶封灌，保证了很高的绝缘强度6

3)高压变压器和高压分压器分别采用一定厚度的金属板（铁、铜）制成的屏蔽罩，进行电磁屏蔽，防止对低压电路的千扰。各单元的信号连线都采用了双芯屏蔽线，并认真考虑了高压电路和低压电路的地线连接走向，模拟电路和数字电路独立供电，尽最减小可能的干扰。

4)输出控制及关机保护。保护电路的作用一是在工作时可控制电压的输出和断开，因为高电压很难在输出端控制通和断，只能在低压控制，并且要缓慢升高和降低。二是在关机时可缓慢降压，在电压降到一定低时再关机，防止在高压时突然关电源而带来冲击，做到安全关机。

 

 

CMOS (Co mple ment ary Met al Ox i de Sem icond uctor)

图像传感器是固态图像传感器的一种，它的研究始千20世纪60年代末，受 当时工艺技术的限制，发展和应用有限。直到 20世纪90年代初，随着大规模集成电路设计技术和信号处理技术的提高，CMOS图像传感器才H益 受到重视，成为固体图像传感器的研发热点。CMOS图像传感器 将图像传感 部分和控制电路高度集成在同 一块芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，充分满足了对高 度小型化、低功耗成像系统的需求。与传统的CCD图像传感器相比，集成度高 、 体积小、价格低等诸多优点，并且在通常的使用环境中，其成像质量接近CCD。目前国外诸多公司

和科研机构已经开发 出不同 光学格式 、多种 类型的CMOS图像传感器，并将 其应用于工业、国防、交通、通讯医学及航空等不同领域。

本义采用 MICRON公司生产的MT9M413传感器，设计f一款高帧频 CMOS相机，具有结构紧凑、功能完善、性能稳定可靠、控制 方便等优点。
 

CMOS图像传感器基于电荷存储原理，即pn结反向 充电，然后在光照条件下 放大， 放电速度 随光照强度的小同 而不同。经过一定时间的放电，每个像素一保留的电荷 不 样，这样 就实现了光电转换，把图像信号由光学系统聚焦在pn结象素阵列表面，逐一扫描象索阵列，就能得到 一 幅图像的电信号。目前CMOS图像传感器主要分为尤源象素传感器( PPS)和有源象素传感器(APS)。PPS结构简单，量子效率高，但灿缺点是 噪声大，并且不利于向大 型阵列 发展；APS在象素中加入了至少一个晶体管来实现对信号的放大和缓冲，改善了PPS的噪声问题，但恶化了阙值和增益的一致性，也减小了填充 系数。CMOS图像传感器像元结构主要有 光敏二极管型无源像素结构 、光敏二极管型有源像素结构（见图1)和光栅型有源像素结构，其它 特殊结构还有对 数传输型 、钉扎光敏二极管戏、浮栅放大器 型等。一个典型的CMOS图像传感器通常包含： 一个图像传感器核心、相应的时序逻辑和控制电路 、AD转换器、存储器 、定时脉冲 发生器和译砃器等。

 

相机主要由CMOS图像传感器芯片、 时序产生和处珅单兀控制单元、模拟偏置单元和图像 输出单元组成，其系统结构框图 如图1 所示。

                                                                            图1 系统结构框图

 

CMOS芯片是相机成像的部件，相机通过CMOS芯片获取图像信息并输出数字信号。时序产生和处理单元主要由FPGA组成，负责产生芯片所需的时序以及对芯片的返回信号进行处理。控制单元主要由单片机组成，控制图像参数的传递和对用户串口命令的处理。模拟偏置单元是由单片机和数字电位器组成的l2 C总线结构，负责产生芯片模数转换、自校准等所需的模拟偏置电压。图像输出单元为FPGA和Cameralink接口，负责图像的输出。
 

相机使用的图像传感器是美国MICRON公司生产的MT9M413 CMOS图像传感器。它是一款高度集成的单芯片CMOS图像传感器， 具有高帧频( 0500fps ) 、低功耗(< 500m W) 、大靶面(1280H x1024 V )和单一3. 3V10％直流电源供电的特点。当主频为66M Hz时，数据率660M bps，帧频500fps，动态范围59dB，快门时间范围为2μs - 33ms，片内集成10bit 自标定、全数字接口的AID 模数转换器， 输出为10个10bit 并行数字输出端口。MT9M 413的工作过程为：像素曝光结束后，电荷存储在“ Pixel Memory ”中，在ROW_STRT_N信号的作用下，读出“ Pixel Memory”中的模拟数据，进行AID转换，然后存储在一个1,280 X 10位的SRAM存储器中(ADC Register)；在LD_SHFf_N信号的作用下，数据从ADC Register转移到另一个 1, 280 X1 0位的SRAM存储器中(Outp ut Register)；在DATA_READ_EN_N信号的作用下，数据从Outp ut Register 输出到引脚上。SRAM存储器可以类似流水线的方式进行操作，当一个新的“ 读取－ AID转换－存储“周期开始时，这时可以并行的进行ADC Register的读取操作，读出上个周期得到的数据。
 

传感器的工作时序包括行时序和帧时序，如图2所示，行 时序控制 每行1280个像素的输出，而 帧时序控制每帧1024 行的输出。在行时序中，10位 行地址总线ROW _ ADDR 输入选择读出的像素行， ROW _STRT_N 信号表示每一行的开始，当其有效时，地址信号ROW_ADD[9:0] 必须有效，原则上要求地址信号持续至少66 个系统时钟周期。ROW_STRT_N 信号开始从像素行读模拟数据、进行模数转换并存储在ADC 寄存器中，当这一系列工作完成后(ROW_STRT

_N 信号下降沿128 - 129 个系统时钟周期后），传感器给出一个2 个时钟宽度的回应信号ROW_ DONE_N 表示一行的数据处理完毕。这时在ROW_DONE_N 信号的下降沿或者下降沿之后施加LD_SHFT_N信号，表示将模数转换后的数据从ADC 寄存器转移到输出寄存器(Output Register) 里，3 个系统时钟后，在DAT A_READ_ EN_N 信号的作用下，开始对输出寄存器里的数据进行读取。DATA_READ_ EN_N 置低电平两个时钟后开始新的像素行读出和转换循环。在新的行转换的同时允许前面转换的数字信号读出，因此一行的时间是ROW_STRT_N 信号开始到ROW_DONE_N 信号返回，或LD_SHFT_N 和DATA_READ_

EN_N 信号有效期加上两个时钟周期。当所有行数据都输出完毕后，便完成了一帧数据的输出，即完成了一个帧时序。

                                                                          图2 MT9M413工作时序图

 

MT9M413 有四种曝光模式，即顺序模式(sequential mode) 、同时模式(simultaneous mode) 、单帧模式(single frame) 和 ERS 模式，主要是由信号 PG_N 和 TX_N

来控制。PG_N 信号置位整个像素阵列的光探测器，开始曝光，TX_N 信号将整个像素阵列的每个像素的电荷由光探测器转移到存储器中，结束曝光。本文主要用到了顺序模式和同时模式。在顺序模式下，前一帧输出后下一帧开始曝光，一帧占用时间为曝光时间与输出时间之和。在同时模式下，前一帧在输出的同时开始为下一帧曝光，曝光通常在前一帧的最后一行结束，这样做不需要专门的光积分时间，帧占用时间仅由数据输出时间决定，这种方式缩短了一帧图像的

时间，提高了系统的帧频。由以上分析可见，传感器的工作时序比较复杂，因此用FPGA 作为时序产生和处理电路的核心部分，选用Xilinx 公司的XC3S1000 FPGA 芯片， 设计语言

为Verilog，产生传感器所需的SYSCLK、ROW_ADDR 、ROW_STRT_N 等信号，同时处理传感器返回的ROW_DONE_N 和PIXCLK 信号。
 

控制单元主要以单片机为核心，如图3所示，单片机通过RS232 串口与上位机进行串行通信，接收并处理来自用户的命令，对相机系统进行图像位置、大小、以及质量等参数设置。单片机与FPGA 通过总线方式连接，通过单片机PO 口和P2 口来给FPGA 的寄存器传递参数，即把FPGA 当作单片机的一个外部数据存储器。P2口发送高位地址， PO 口复用为低位地址和数据总线，通过写FPGA 寄存器来控制曝光时间和传感器工作方式等参数。由于需要调试的方便性和参数的可实时修改性，选择具有在系统中编程(ISP) 和在应用中编程(IAP)功能的单片机。最终我们选用Philips 公司的P89LV51RD2 单片机。

 图3 控制电路结构框图

 

由千传感器所需的8个模拟偏置电压范围均为0 -3. 3V，采用MAX5417 的分压模式， H 端接3. 3V电源，L端接地，W端输出模拟电压，通过编程实现对3.3V 电压的256 抽头分压。系统中的模拟偏置单元是由单片机和数字电位器组成的I2 C 总线结构构成，其中单片机为主器件，数字电位器为从器件。选用了4 对带有I2 C接口的数字电位器MAX5417，每对数字电位器具有唯一的6 位固定地址，通过对第7 位置0或置1，可使每个电位器具有唯一的7 位地址。地

址、数据及应答信号都通过串行数据线SDA 传送，一次操作包括从器件地址(7位地址，最低位置0表示写操作）、命令字节和数据字节。I2 C 规范中规定了S DA,SCL最基本的时序特征，这是所有I2C器件都必须满足的。每个I2C器件在满足基本要求的同时，又有各自的时序要求，MAX5417的时序特性如表1 。

                                                                              表1 MAX5417时序特性
 

由传感器的参数可知，工作千全靶面、500fp/s时系统的数据率为6 . 6Gb/s，为实现如此高数据率的数据高速传输，对输出的图像数据采用Cma eraLink的接口 方式，规范的Cma re a Link接口使得相机和采集卡之间的连接更通用化，差分传输线降低了传输线之间的干扰，有利于远距离传输。相机系统所用传感器的图像信号格式为10 X10bit，而CameraLink接口在不同的配置下有不同的数据格式，如2x1 0bit、4 x1 0bit和8 x 8bit等，因此在FPGA中将传感器的图像信号转换成符合CameraLink的格式。采用全配置的CameraLink接口，用一个DS90LV049 和三个DS90CR287将8 x 8 bit 数据流、1路帧信号、3路行信号及3路像素时钟信号转换成高速LV DS 数据流进行传输，发送到图像接收端供采集卜接收。图4 为系统主频40 MHz、全靶面、帧频

为IOOps时，相机L作千同时模式时所拍摄的图像 。

                                                                                 图4 拍摄的图像
 

从小刚化的角度考虑，避免所有器件在一块 PCB板卜从 而使得 PCB板面积过大，采用三块大小相同的六层PCB板，每块大小为6cm x 6cm，板间通过连接器相连。 前端板主要包括传感器芯片和数字电位器部分，中间 板主要包括 MCU、FPGA及其各自的附属芯片，后端板主要包括Cam eraL in k接口部分和电源部分，整个系统结构紧凑，图5 为相机的 实物图。由于 系统中 有数模混合 电路，因此对模拟电路的抗千扰设计是必须考虑的，本 系统中，PCB板上数字

电路部分和模拟电路部分分开，采用统一地平面，模拟信号由数字电位器产生， 前面 用 LC滤波器滤波，进入传感器芯片之前经过磁珠的滤波，实际效果满足要求，模拟电压偏差小于1%。

                                                    图5 相机实物图
 

设计了一款基千Micron公司MT9M413 CMOS图像传感器的高帧频相机，系统中使用FPGA和单片机作为处理和控制单元，采用串口和l2C总线结构对系统进行控制。整个系统结构紧凑、性能稳定、成本低、控制方便，预计下一步对结构上进行改进之后，具有开发成产品的潜力。__