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CN107257447B - Cmos图像传感器的模拟装置 - Google Patents

Cmos图像传感器的模拟装置 Download PDF

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Abstract

CMOS图像传感器的模拟装置，涉及一种CMOS图像传感器的模拟装置，解决现有CMOS图像传感器航天应用中调试及排查问题困难的问题，包括FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路、接口电路和电源系统；电源系统为FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路和接口电路供电。本发明的模拟装置可完全替代CMOS图像传感器进行工作。模拟装置内部模块检测到外部输入的工作电压和工作时序正常后，输出模拟的CMOS图像信号；在train阶段输出校验数据；在排查问题过程中，可把输出数据的伴随时钟从DDR方式切换为SDR方式，且保证输出图像数据和伴随时钟的相位固定以方便调试，进行异常图像的快速定位，剥离硬件和软件的问题。

Description

CMOS图像传感器的模拟装置
技术领域
本发明涉及一种CMOS图像传感器的模拟装置，具体涉及一种针对航天应用的高速串行图像数据输出的CMOS图像传感器的模拟装置。
背景技术
与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器不需要复杂的驱动电路，体积小，功耗低，且能在更高的频率下工作；随着其技术的进步，其性能稳步提升，已经开始在航天领域应用。
CMOS图像传感器可通过多通道输出和提高转移时钟实现高速摄像，但通常的工作方式是输入频率较低的时钟，在芯片内部采用锁相环倍频获得的高频时钟作为内部的工作时钟，同时将高频时钟二分频后作为输出图像数据的DDR伴随时钟。由于各通道的输出的图像数据间存在延时，且输出图像数据和伴随时钟在每次上电的相位不一致，相对相位还随工作电压和温度的变化而变化，为采集到稳定可靠的图像，需要进行位校验和字校验。对于低端的FPGA器件，内部未集成IODELAY和BITSLIP模块，需要利用如DCM等资源来实现相对相位的调整。在调试过程中出现某数据通道的图像异常时，难进行硬件和软件问题的剥离，问题定位困难。另外，当CMOS图像传感器的工作电压超过额定值或者上电时序异常，都存在烧毁的风险；CMOS图像传感器管脚数多，直插封装的器件拆卸困难，拆卸烧毁的CMOS图像传感器还会影响线路板航天应用的可靠性。
发明内容
本发明为解决现有CMOS图像传感器航天应用中调试及排查问题困难的问题，提供一种CMOS图像传感器的模拟装置。
CMOS图像传感器的模拟装置，包括FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路、接口电路和电源系统；
所述接口电路作为模拟装置与CMOS成像电路板的接口，在所述接口电路上焊接与CMOS图像传感器相同管脚数的测试探针，通过测试探针实现模拟装置与CMOS成像电路板的连接；
所述光电二极管接收外部输入的光能，并将外部光能转换为模拟电压信号传送于多通道模数转换器；所述多通道模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号后传送到FPGA，所述FPGA通过接口电路将数字信号传送至外部；
所述多通道模数转换器接收接口电路传送的送入的供电电压和驱动时序信号，并对供电电压和CMOS驱动时序信号的上电顺序进行检测；
所述负载模拟电路针对CMOS图像传感器的供电电源，采用电阻和电容及MOSFET进行CMOS图像传感器供电状态的模拟，检验CMOS成像电路板的供电性能；
所述温度传感器采集的温度信息送入FPGA，FPGA根据当前的温度模拟CMOS图像传感器的数据偏移，根据温度的变化值修改伴随时钟和数据的相对相位；
所述电源系统为FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路和接口电路供电。
本发明的有益效果：
一、本发明所述的CMOS图像传感器的模拟装置可完全替代CMOS图像传感器进行工作。模拟装置内部模块检测到外部输入的工作电压和工作时序正常后，输出模拟的CMOS图像信号；在train阶段输出校验数据；在排查问题过程中，可把输出数据的伴随时钟从DDR方式切换为SDR方式，且保证输出图像数据和伴随时钟的相位固定以方便调试，进行异常图像的快速定位，剥离硬件和软件的问题。
二、本发明所述的多通道模数转换器同时接收接口电路送入的供电电源和驱动时序信号，对供电电源的供电电压及供电电源和CMOS驱动时序信号的上电顺序进行检测，提前发现上电时序错误，避免烧毁CMOS图像传感器。
三、本发明所述的模拟装置有利于在实验过程中进行软件和硬件问题的剥离，快速进行线路板的检测，加快问题排查速度；
四、在探测器焊接前可进行线路板的相关筛选实验；提高成功率；降低了线路板上拆卸插座的风险，提高航天应用的可靠性；
五、在无CMOS图像传感器的情况下可进行相关的调试及实验，加快工程进度。
附图说明
图1为本发明所述的CMOS图像传感器的模拟装置的原理框图；
图2为本发明所述的CMOS图像传感器的模拟装置的供电及上电顺序检测流程图；
图3为本发明所述的CMOS图像传感器供电状态模拟的结构图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图3说明本实施方式，CMOS图像传感器的模拟装置，包括FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路、接口电路和电源系统；
所述接口电路作为模拟装置与CMOS成像电路板的接口，在所述接口电路上焊接与CMOS图像传感器相同管脚数的测试探针，通过测试探针实现模拟装置与CMOS成像电路板的连接；
所述光电二极管接收外部输入的光能，并将外部光能转换为模拟电压信号传送于多通道模数转换器；所述多通道模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号后传送到FPGA，所述FPGA通过接口电路将数字信号传送至CMOS图像传感器；
所述多通道模数转换器接收接口电路传送的送入的供电电压和驱动时序信号，并对供电电压和CMOS驱动时序信号的上电顺序进行检测；
所述负载模拟电路针对CMOS图像传感器的供电电源，采用电阻和电容及MOSFET进行CMOS图像传感器供电状态的模拟，检验CMOS成像电路板的供电性能；
所述温度传感器采集的温度信息送入FPGA，FPGA根据当前的温度模拟CMOS图像传感器的数据偏移，根据温度的变化值修改伴随时钟和数据的相对相位；
所述电源系统为FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路和接口电路供电。
本实施方式中，多通道模数转换器同时接收接口电路送入的供电电压和驱动时序信号，对供电电源的供电电压及供电电源和CMOS驱动时序信号的上电顺序进行检测。当供电电源电压的偏差值不超过5％，且各供电电源的上电顺序不滞后驱动时序信号，认为供电与上电顺序正常，否则给出错误状态指示信号，不进行模拟图像数据输出的等相关操作。
本实施方式所述的模拟装置通过spi通信，可在三种工作模式下工作：
(1)train模式，输出固定的图像灰度值；
(2)自校模式，输出灰度渐变的自校图像，满足递增或递减等规律；
(3)正常成像模式，输出随外部光照线性变化的图像，并可通过spi通信修改输出图像的偏置和增益值。
输出图像的灰度值＝偏置+增益×外部光照对应灰度值。外部光照对应灰度值通过光电二极管输出的模拟值经多通道模数转换器进行转换后获得。
本实施方式所述的接口电路焊接上与CMOS图像传感器相同管脚数的测试探针，通过按压测试探针实现模拟装置与CMOS成像电路板的连接，方便拆卸，且不影响后续图像传感器在CMOS成像电路板的焊接。
本实施方式所述的负载模拟电路针对CMOS图像传感器的供电电源，采用电阻和电容及MOSFET进行CMOS图像传感器供电状态的模拟，
电阻值R2＝供电电压÷静态的电流；
电阻值R1＝(供电电压÷稳态的工作电流)-R2；电容值C1为CMOS图像传感器的电源管脚的等效电容值；MOSFET的开通周期及开通时间与CMOS图像传感器的工作状态相同。所述的静态的电流为在CMOS图像传感器刚加电未进行SPI配置的工作电流；稳态的工作电流为在CMOS图像传感器加电进行SPI配置后，开始进行摄像工作的平均电流。
本实施方式所述的模拟装置输出的图像数据可与CMOS图像传感器相同的格式，伴随时钟为DDR方式；也可为排查硬件问题，将伴随时钟修改为SDR方式；还可输出伴随时钟和输出数据的相位固定数据格式。
本实施方式通过温度传感器对工作温度的采集和通过接口电路对工作电压的采集，按照温度升高或工作电压降低都会导致延迟增大，温度降低或工作电压提高都会导致延迟减小模拟CMOS图像传感器的数据偏移，按照温度和电压的变化值修改伴随时钟和数据的相对相位。
相对相位的改变量＝K×温度改变值+P×电压改变值，K为温度影响系数，P为电压影响系数。
结合图3说明本实施方式，负载模拟电路中，当控制信号control使MOSFETQ1处于关断时，则仅有电阻R2接入供电电源VCC，形成静态工作电流；当控制信号control使MOSFETQ1处于导通时，则电阻R1和R2及电容C1同时接入供电电源VCC，形成动态工作电流。
本实施方式所述的FPGA采用Xilinx公司的器件XC6VLX240T-2FFG1156C；模拟的CMOS图像传感器为长光辰芯公司的多谱段CMOS图像传感器GL1216；所述电源系统采用LDO电源芯片；所述负载模拟电路采用线绕电阻、瓷片电容和MOSFET，所述的多通道模数转换器采用AD7718；所述的光电二极管采用市场上普通的光电二极管；所述的温度传感器采用DS18B20。

Claims (3)

1.CMOS图像传感器的模拟装置，包括FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路、接口电路和电源系统；
所述接口电路作为模拟装置与CMOS成像电路板的接口，在所述接口电路上焊接与CMOS图像传感器相同管脚数的测试探针，通过测试探针实现模拟装置与CMOS成像电路板的连接；
所述光电二极管接收外部输入的光能，并将外部光能转换为模拟电压信号传送于多通道模数转换器；所述多通道模数转换器将模拟电压信号转换为数字信号后传送到FPGA，所述FPGA通过接口电路将数字信号传送至外部；
所述多通道模数转换器接收接口电路传送的供电电压和驱动时序信号，并对供电电压和CMOS驱动时序信号的上电顺序进行检测；
具体检测为：当供电电压的偏差值小于等于5％，且各供电电源的上电顺序不滞后驱动时序信号，则判定供电与上电顺序正常，否则给出错误状态指示信号；
所述负载模拟电路针对CMOS图像传感器的供电电源，采用电阻和电容及MOSFET进行CMOS图像传感器供电状态的模拟，检验CMOS成像电路板的供电性能；
所述温度传感器采集的温度信息送入FPGA，FPGA根据当前的温度模拟CMOS图像传感器的数据偏移，根据温度的变化值修改伴随时钟和数据的相对相位；
具体为：通过温度传感器对工作温度的采集和通过接口电路对工作电压的采集，按照温度升高或工作电压降低均会导致延迟增大，温度降低或工作电压升高均会导致延迟减小模拟CMOS图像传感器的数据偏移，按照温度和电压的变化值修改伴随时钟和数据的相对相位；
相对相位的改变量＝K×温度改变值+P×电压改变值，K为温度影响系数，P为电压影响系数；
所述电源系统为FPGA、温度传感器、光电二极管、多通道模数转换器、负载模拟电路和接口电路供电。
2.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的模拟装置，其特征在于，光电二极管中，单个光电二极管接收到的信号可用于模拟整行或整帧CMOS图像传感器的输出信号。
3.根据权利要求1所述的CMOS图像传感器的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置有三种工作模式：
第一种工作模式：train模式，输出固定的图像灰度值；
第二种工作模式：自校模式，输出灰度渐变的自校图像，满足递增或递减规律；
第三种工作模式：成像模式，输出随外部光照线性变化的图像，并通过spi通信修改输出图像的偏置和增益值；
输出图像的灰度值＝偏置+增益×外部光照对应灰度值，外部光照对应灰度值通过光电二极管输出的模拟值经多通道模数转换器进行转换后获得。
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