1、引言

　　 CCD圖像傳感器由于靈敏度高、噪聲低，逐步成為圖像傳感器的主流。但由于工藝上的原因，敏感元件和信號處理電路不能集成在同一芯片上，造成由CCD圖像 傳感器組裝的攝像機體積大、功耗大。CMOS圖像傳感器以其體積小、功耗低在圖像傳感器市場上獨樹一幟。但最初市場上的CMOS圖像傳感器，一直沒有擺脫 光照靈敏度低和圖像分辨率低的缺點，圖像質量還無法與CCD圖像傳感器相比。

　　如果把CMOS圖像傳感器的光照靈敏度再提高5倍～10 倍，把噪聲進一步降低，CMOS圖像傳感器的圖像質量就可以達到或略微超過CCD圖像傳感器的水平，同時能保持體積小、重量輕、功耗低、集成度高、價位低 等優點，如此，CMOS圖像傳感器取代CCD圖像傳感器就會成為事實。

　　由于CMOS圖像傳感器的應用，新一代圖像系統的開發研制得到了 極大的發展，并且隨著經濟規模的形成，其生產成本也得到降低?，F在，CMOS圖像傳感器的畫面質量也能與CCD圖像傳感器相媲美，這主要歸功于圖像傳感器 芯片設計的改進，以及亞微米和深亞微米級設計增加了像素內部的新功能。實際上，更確切地說，CMOS圖像傳感器應當是一個圖像系統。一 個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心（是將離散信號電平多路傳輸到一個單一的輸出，這與CCD圖像傳感器很相似），所有的時序邏輯、 單一時鐘及芯片內的可編程功能，比如增益調節、積分時間、窗口和模數轉換器。事實上，當一位設計者購買了CMOS圖像傳感器后，他得到的是一個包括圖像陣 列邏輯寄存器、存儲器、定時脈沖發生器和轉換器在內的全部系統。與傳統的CCD 圖像系統相比，把整個圖像系統集成在一塊芯片上不僅降低了功耗，而且具有重量較輕，占用空間減少以及總體價格更低的優點。

圖1 早期的CCD圖像傳感器

　　2、基本原理

　 　從某一方面來說，CMOS圖像傳感器在每個像素位置內都有一個放大器，這就使其能在很低的帶寬情況下把離散的電荷信號包轉換成電壓輸出，而且也僅需要在 幀速率下進行重置。CMOS圖像傳感器的優點之一就是它具有低的帶寬，并增加了信噪比。由于制造工藝的限制，早先的CMOS圖像傳感器無法將放大器放在像 素位置以內。這種被稱為PPS的技術，噪聲性能很不理想，而且還引來對CMOS圖像傳感器的種種干擾。

　　然而今天，隨著制作工藝的提高， 使在像素內部增加復雜功能的想法成為可能。現在，在像素位置以內已經能增加諸如電子開關、互阻抗放大器和用來降低固定圖形噪聲的相關雙采樣保持電路以及消 除噪聲等多種附加功能。實際上，在Conexant公司（前Rockwell半導體公司）的一臺先進的CMOS 攝像機所用的CMOS圖傳感器上，每一個像素中都設計并使用了6個晶體管，測試到的讀出噪聲只有1均方根電子。不過，隨著像素內電路數量的不斷增加，留給 感光二極管的空間逐漸減少，為了避免這個比例（又稱占空因數或填充系數）的下降，一般都使用微透鏡，這是因為每個像素位置上的微小透鏡都能改變入射光線的 方向，使得本來會落到連接點或晶體管上的光線重回到對光敏感的二極管區域。

　　因為電荷被限制在像素以內，所以CMOS圖像傳感器的另一個 固有的優點就是它的防光暈特性。在像素位置內產生的電壓先是被切換到一個縱列的緩沖區內，然后再被傳輸到輸出放大器中，因此不會發生傳輸過程中的電荷損耗 以及隨后產生的光暈現象。它的不利因素是每個像素中放大器的閾值電壓都有細小的差別，這種不均勻性就會引起固定圖像噪聲。然而，隨著CMOS圖像傳感器的 結構設計和制造工藝的不斷改進，這種效應已經得到顯著弱化。

　　這種多功能的集成化，使得許多以前無法應用圖像技術的地方現在也變得可行 了，如孩子的玩具，更加分散的保安攝像機、嵌入在顯示器和膝上型計算機顯示器中的攝像機、帶相機的移動電路、指紋識別系統、甚至于醫學圖像上所使用的一次 性照相機等，這些都已在某些設計者的考慮之中。

　　3設計考慮

　　然而，這個行業還有一 個受到普遍關注的問題，那就是測量方法，具體指標、陣列大小和特性等方面還缺乏統一的標準。每一位工程師在比較各種資料一覽表時，可能會發現在一張表上列 出的是關于讀出噪聲或信噪比的資料，而在另一張表上可能只是強調關于動態范圍或最大勢阱容量的資料。因此，這就要求設計者們能夠判斷哪一個參數對他們最重 要，并且盡可能充分利用多產品的CMOS圖像傳感器家族。

　　一些關鍵的性能參數是任何一種圖像傳感器都需要關注的，包括信噪比、動態范 圍、噪聲（固定圖形噪聲和讀出噪聲）、光學尺寸以及電壓的要求。應當知道并用來對比的重要參數有：最大勢阱容量、各種工作狀態下的讀出噪聲、量子效率以及 暗電流，至于信噪比之類的其它參數都是由那些基本量度推導出來的。

　　對于像保安攝像機一類的低照度級的應用，讀出噪聲和量子效應最重要。然而對于象戶外攝影一類的中、高照度級的應用，比較大的最大勢阱容量就顯得更為重要。

　 　動態范圍和信噪比是最容易被誤解和誤用的參數。動態范圍是最大勢阱容量與最低讀出噪聲的比值，它之所以引起誤解，是因為讀出噪聲經常不是在典型的運行速 度下測得的，而且暗電流散粒噪聲也常常沒有被計算在內。信噪比主要決定于入射光的亮度級（事實上，在亮度很低的情況下，噪聲可能比信號還要大）。

　 　所以，信噪比應該將所有的噪聲源都考慮在內，有些資料一覽表中常常忽略散粒噪聲，而它恰恰是中、高信號電平的主要噪聲來源。而SNRDARK得到說明， 實際上與動態范圍沒有什么兩樣。數字信噪比或數字動態范圍是另一個容易引起混淆的概念，它表明的只是模擬/數字（A/D）轉換器的一個特性。雖然這可能很 重要，但它并不能精確地描述圖像的質量。同時我們也應清楚地認識到，當圖像傳感器具有多個可調模擬增益設置時，模擬/數字轉換器的分辨率不會對圖像傳感器 的動態范圍產生限制。

　　光學尺寸的概念的模糊，是由于傳統觀念而致。使用光導攝像管只能在部分范圍內產生有用的圖像。它的計算包括度量單 位的轉換和向上舍入的方法。采用向上舍入的方法，先以毫米為單位測量圖像傳感器的對角線除以16，就能得到以英寸為單位的光學尺寸。例如0.97cm的尺 寸是1.27cm而不是 0.85cm。假如你選擇了一個光學尺寸為0.85cm的圖像傳感器，很可能出現圖像的四周角落上的映影（陰影）現象。這是因為有些資料一覽表欺騙性地使 用了向下舍入的方法。例如，將0.97cm的尺寸稱為0.85cm，理由很簡單：0.85cm光學尺寸的圖像傳感器的價格要比1.27cm光學尺寸的圖像 傳感器的價格低得多，但是這對系統工作性能產生不利影響。所以，設計者應該通過計算試用各種不同的圖像傳感器來得到想要的性能。

　　 CMOS圖像傳感器的一個很大的優點就是它只要求一個單電壓來驅動整個裝置。不過設計者仍應謹慎地布置電路板驅動芯片。根據實際要求，數字電壓和模擬電壓 之間盡可能地分離開以防止串擾。因此良好的電路板設計，接地和屏蔽就顯得非常重要。盡管這種圖像傳感器是一個CMOS裝置并具有標準的輸入/輸出（I /O）電壓，但它實際的輸入信號相當小，而且對噪聲也很敏感。

　　到目前為止，已設計出高集成度單芯片CMOS圖像傳感器。設計者力求使有 關圖像的應用更容易實現多功能，包括自動增益控制（AGC）、自動曝光控制（AEC）、自動平衡（AMB）、伽瑪樣正、背景補償和自動黑電平校正。所有的 彩色矩陣處理功能都集成在芯片中。CMOS圖像傳感器允許片上的寄存器通過I2C總線對攝像機編程，具有動態范圍寬、抗浮散且幾乎沒有拖影的優點。

　　4、CMOS APS的潛在優點和設計方法

　　4．1CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優點

　　CMOS APS勝過CCD圖像傳感器的潛在優點包括［1］～［5］：

　　1）消除了電荷反復轉移的麻煩，免除了在輻射條件下電荷轉移效率（CTE）的退化和下降。

　　2）工作電流很小，可以防止單一振動和信號閉鎖。

　　3）在集成電路芯片中可進行信號處理，因此可提供芯跡線，模/數轉換的自調節，也能提供由電壓漂移引起的輻射調節。

　　4．2 CMOS APS的設計方法

　　CMOS APS的設計方法包括：

　　1）為了降低暗電流而進行研制創新的像素結構。

　　2）使用耐輻射的鑄造方，再研制和開發中等尺寸“dumb”（?。┏上駜x（通過反復地開發最佳像素結構）。

　　3）研制在芯片上進行信號處理的器件，以適應自動調節本身電壓Vt的漂移和動態范圍的損失。

　　4）研制和開發耐輻射（單一擾動環境）的定時和控制裝置。

　　5）研制和加固耐輻射的模/數轉換器。

　　6）尋找低溫工作條件，以便在承受最大幅射強度時，找到并證實最佳的工作溫度。

　　7）研制和開發大尺寸、全數字化、耐輻射的CMOS? APS，以便生產。

　　8）測試、評價和鑒定該器件的性能。

　　9）引入當代最高水平的組合式光學通信/成像系統測試臺。

　 　CMOS圖像傳感器的前途是光明的，隨著多媒體、數字電視、可視通訊等市場的增加，CMOS圖像傳感器的應用前景更加廣闊。CMOS APS為MIS/CCD圖像傳感器設計提供了另一選擇方案，它把電荷轉換成電壓所需的晶體管裝在每個像素內。在這種器件內均不必進行電荷轉移， 因為數據讀取是在單個像素內完成的。與CCD圖像傳感器相比，這種器件有很成熟的CMOS集成電路工藝，在降低成本方面有潛力。預期CMOS APS在許多非科學應用領域內將最終替代CCD圖像傳感器。

　　像素傳感器電路結構設計詳情參見：CMOS圖像傳感器的基本原理及設計考慮

　　全面了解了COMS傳感器的原理及設計考慮的主要因素，下面介紹幾種CMOS圖像傳感器應用方案和參考設計。

安森美CMOS圖像傳感器應用方案

?

　　近年來，隨著CMOS工藝技術的不斷改進，CMOS傳感器的應用范圍也越來越廣泛，包括數碼相機、電腦攝像頭、視頻電話、手機、視頻會議、智能型安保系統、汽車倒車視像雷達、玩具，以及工業、醫療等應有盡有。實際上，CMOS圖像傳感器最初應用于工業圖像處理；在那些旨在提高生產率、質量和生產工藝經濟性的全新自動化解決方案中，它至今仍然是至關重要的圖像解決方案。

　　安森美半導體的標準及定制CMOS圖像傳感器方案

　　應用要求的不斷提升，CMOS傳感器的成像質量也在不斷提高，安森美半導體利用其在這一領域的專利技術和豐富的經驗，以創新的設計，采用標準CMOS工藝技術開發出了高性能CMOS有源像素傳感器等多種產品。

　　過去15年來，安森美半導體一直在為數百萬像素數碼攝影、達晶圓級的大面積傳感器、超高速傳感器、機器視覺成像、線性和二維條碼成像、醫用X射線成像、單芯片一體化攝像機，以及太空和核應用的抗輻射CMOS圖像傳感器提供行之有效的解決方案。

　　1）標準圖像傳感器

　　新興應用需求的不斷增長為精心設計的CMOS圖像傳感器帶來了眾多商機。除此高端機器視覺應用，二維（2D）條形碼閱讀器、高端保安攝像方案以及新興的 智能交通管理系統（ITS）的市場也在迅速擴大。安森美半導體新的VITA系列能滿足這些新市場的需求。VITA提供可配置性、靈活性和操作方便性。

　　圖1 VITA25K 2，500萬像素、53 fps全局快門CMOS圖像傳感器示例

　　VITA 系列CMOS圖像傳感器采用可配置操作模式，易于操作，提供帶雙斜率讀數的流水線型和觸發式全局快門、帶相關雙采樣（CDS）的滾動快門、LVDS或 CMOS輸出、10位或8位精度、多個并行窗口讀數等特性。應用范圍包括機器視覺、條形碼、智能交通管理系統（ITS）和運動監測（motion monitoring）。

　　安森美半導體的另一個標準圖像傳感器系列是LUPA。該系列是高速CMOS圖像傳感器的深入研發和豐富經驗的結晶。LUPA器件提供的分辨率高達2048 × 2048，幀速率最高達500 fps。這些器件的功耗低至150 mW，完全沒有光暈（Blooming）或滯后，為高度可靠、高靈敏度圖像傳感器創建了一個完善的基礎。LUPA系列包含LUPA 300、LUPA 1300-2、LUPA 3000和LUPA 4000。

　　LUPA實現了前所未有的靈敏度，具有百萬像素系列圖像傳感器的分辨率，其它特性包括低功耗、無光暈或圖像滯后、采用流水線式全局快門，可廣泛應用于高速機器視覺、工業成像、醫療成像、國防和運動分析等領域。

　　另外一個CMOS標準圖像傳感器的系列是IBIS，包括IBIS4和IBIS5圖像傳感器。IBIS4圖像傳感器的特點是圖像質量高、三晶體管（3T） 像素、滾動快門、高填充因數和用來提高動態范圍的雙斜率讀數。IBIS5 CMOS圖像傳感器進過優化，是專門為機器視覺相機而開發的。

　　圖2? IBIS系列圖像傳感器

　　IBIS4的像素分辨率高達1，400萬，圖像質量高，具有滾動快門和靈活的窗口和多斜率功能；IBIS5采用觸發式全局快門，操作模式靈活，具有靈活的窗口和多斜率功能。它們的應用包括機器視覺、生物測量和文檔掃描等。

　　安森美半導體標準系列的STAR圖像傳感器系列，是開發抗輻射CMOS像素和讀出電子產品過程中廣泛研究和輻照實驗的成果。這些結構的總輻照劑量高達 300 krad?？馆椛銫MOS圖像傳感器可以在輻射環境下發揮重要的作用，而普通CMOS或CCD成像無法做到這一點，而使用CRT顯像管又太昂貴、過重或體 積過大。STAR系列包括三個產品：STAR 250、STAR 1000和HAS2，每個產品都有自己獨到的優勢。

　　總體上講，STAR高達100萬像素分辨率，具有高抗輻射、高靈敏度、低噪聲的優勢；可以應用在太空科學、核檢驗、星跟蹤器和太陽傳感器等方面。

　　2）定制圖像傳感器

　　安森美半導體還提供定制和針對特定應用的CMOS圖像傳感器，通過開發具有最先進性能的產品，幫助合作伙伴領先于競爭對手。定制設計可根據內部開發的參數功能塊或采用全新的方法實現前所未有的性能和功能。

　　安森美半導體的專利設計和制造技術有助于優化關鍵參數，并與客戶的應用實現完美契合。像素的大小、形狀和速度、飽和度和噪聲水平、動態范圍和靈敏度、輸出和幀速率都可以根據每個客戶的需求來設定。

　　定制解決方案充分考慮了規格的靈活性，可實現最終應用的關鍵差別化，保證整個產品壽命期的有效性；高層次的架構和操作靈活性可以提高性能。定制方案的應 用包括高分辨率攝影、高速成像、條形碼閱讀、機器視覺、醫療成像，尤其是需要低功耗、智能傳感或抗輻射的陣列或線性傳感器解決方案的任何應用。

　　安森美半導體為客戶提供的典型自定義設計周期流程是客戶提出最初需求，然后由安森美半導體提出建議，再經過預先研究、產品定義、產品設計、產品設計審查、原型制造、裝配和功能測試、原型、性能表征、性能表征報告等過程，最后做出生產規劃和生產計劃，進行預生產和投產。

　　3）智能手機CMOS圖像傳感器

　　安森美半導體為高性能智能手機傳感器開發了創新的 1.1 μm像素技術，先進的像素和顏色濾波陣列 （CFA） 處理，使其靈敏度比前代提升近 20%。世界一流的的靈敏度能捕捉到更多光，使圖像質量顯著提高，尤其是在微光的情況下。新一代1，300萬像素（MP）圖像傳感器AR1335，擴充其寬廣的圖像產品系列?；谙冗M的1.1微米（μm）像素技術，AR1335確立了靈敏度新基準，量子效率 （QE） 和線性電位井容量也得以顯著提升。這圖像傳感器專為智能手機相機應用而設計，帶來近乎數碼相機的成像優質體驗，同時也針對移動設備優化了功耗和占板空間。

　　AR1335為智能手機用戶帶來絕佳的成像體驗。一流的靈敏度、QE和線性電位井容量讓客戶領略逼真的微光成像。超清13 MP分辨率支持高質量變焦及清晰的場景細節還原。無論是4K 超高清（UHD）模式，每秒30幀的影院模式，還是每秒60幀的1080P高清模式，均可呈現專業視頻品質。極高的32°主光線角度（CRA）支持低垂直 高度應用。

　　安森美半導體圖像傳感器部消費影像副總裁Shung Chieh說：“AR1335圖像傳感器是工程創意和客戶導向的結晶成果。我們提升技術，加上智能設計和優化的生產工藝，為那些希望用自己的產品提供全面、豐富拍照體驗的智能手機制造商帶來高性價比的解決方案?！?/p>

　　總結

　　安森美半導體提供對多重終端市場的完整的一維和二維CMOS圖像傳感器產品，其中既有系列標準圖像傳感器，也有定制及專用產品。標準系列包括最高像素 2，500萬、提供10位或8位精度的VITA系列，能以數百萬像素分辨率提供最高500 fps幀速率的LUPA系列，提供最高1，400萬像素分辨率及高圖像質量的IBIS系列，以及抗輻射及提供高靈敏度的STAR系列。此外，安森美半導體為客戶提供定制及專用CMOS圖像傳感器，幫助客戶以獨特產品及一流性能領先競爭對手。今后，數百萬像素數碼攝影及電影攝影、機器視覺、線性及二維條形碼成像、工業及醫療成像、生物測定及計算及軍事/航空市場將會有更多應用采用安森美半導體的圖像傳感器。

思比科系列CMOS圖像傳感器應用方案

　　近年來，拍照手機、電腦攝像頭（PC-CAM）、監控等領域飛速發展，需求量日漸增長，CMOS圖像傳感器（CIS）作為這些應用的核心元件， 其市場需求也越來越大。CIS芯片集光電、模擬電路和數字電路于一體，其設計、生產、測試、封裝以及最終應用與傳統IC相比，都有其特別的地方，因此行業 門檻也相對較高。

　　北京思比科作為中國本土企業，是唯一基于自主專利技術開發成功高端CMOS圖像傳感器芯片并實現規模化生產的企業，近幾年開發成功了一系列高品質圖像傳感器芯片。以下針對拍照手機，PC-CAM和監控三個領域的應用，具體介紹思比科的系列產品。

　　1．拍照手機

　 　拍照手機可以實現預覽、拍照、回顯、錄像和回放的全部功能。從傳感器應用的角度，拍照手機可以分為以下兩類：第一類是 YUV型，即傳感器輸出標準的YUV圖像數據，多媒體處理器接收后完成圖像的編解碼等后處理，傳感器和多媒體處理器相對獨立，SP80818（1/8 inch VGA）和SP82318（1/3.2 inch 2M）就是針對這種應用設計的。第二類是Raw Data型，傳感器只輸出原始數據，所有的圖像處理和自動控制都由多媒體處理器來主導完成，SP80708（1/7 inch VGA）和SP83308（1/3 inch 3.2M）符合這種應用。以下分別介紹兩種方案。

　　1．1 YUV型

　 　YUV型的方案是目前中低端拍照手機普遍采用的一種方案，主要集中在VGA，1.3M和2M的拍照手機，要求傳感器輸出標準的YUV數據。傳感器除了完 成圖像采集的功能外，還要完成圖像處理和圖像轉換的功能。圖1是SP80818和SP82318的結構框圖以及YUV手機的結構圖。其中傳感器核 （Sensor Core）部分包含有感光陣列、曝光控制和讀出電路、可變增益放大器（PGA）和模數轉換器（ADC），主要完成圖像采集功能。傳感器核輸出的原始圖像數 據送到圖像處理器（ISP），ISP完成一系列圖像處理和圖像轉換功能，主要包含以下處理：灰度補償、數字增益和白平衡、鏡頭陰影修正、壞點檢測和修正、 彩色插值、平滑處理和輪廓增強、GAMMA校正、色彩校正、亮度、飽和度和對比度調節、圖像尺寸變換、色彩空間轉換、圖像數據打包輸出?？刂颇K完成自動 曝光控制，自動白平衡，50Hz/60Hz閃爍檢測等功能，對傳感器核和ISP進行控制，以及和多媒體處理器的通信（多媒體處理器通過串行總線接口訪問傳 感器內部寄存器，實現對傳感器的控制。）

　　圖1： YUV傳感器SP0818和SP2318的結構框圖及應用。

　　雖然絕大多數主流的傳感器設計公司都是按照以上功能來設計自己的產品，但由于設計能力和所采用的工藝性能的不同，市面上產品的性價比仍然會存在較大的差距。

　 　思比科在設計這些產品之前，已經做了大量的基礎研究，從工藝，算法到電路原理都有了很多的突破，形成了以 SuperPix和SuperImage為核心的技術特點，相關專利已經達到數十件以上，SuperPix技術具體體現在高性能的像素單元（Pixel） 設計，高精度、高速度和超低功耗的CDS電路，PGA電路和ADC電路設計；SuperImage技術則主要包含一系列效果優良、實現簡潔的算法，如自動 白平衡，自動曝光控制，彩色插值，平滑去噪，輪廓增強等。

　　YUV方案的優點在于照相模塊的獨立性和靈活性。工程師很容易完成不同的傳感器和多媒體處理器之間的對接，而復雜繁瑣的圖像調試工作已經由照相模塊的供應商完成，工程師只需要將多媒體處理器中傳感器的配置參數更新就可以得到理想的圖像效果。

　 　然而，隨著手機市場的競爭加劇，客戶對傳感器的性價比要求越來越高，這種方案的缺點也越來越明顯。由于傳感器工藝的特殊性決定了在設計和制造過程中，不 能使用超過4層的金屬連線資源，這將大大增加邏輯關系復雜的圖像處理電路的面積，從而增加傳感器的成本。而另一方面，為了降低成本，傳感器的感光單元尺寸 越來越小，為了得到更好的圖像質量，需要越來越復雜的算法對圖像進行處理。基于以上原因，ISP的功能已經開始從傳感器轉移到多媒體處理器。對于規模龐大 的多媒體處理器來說，ISP的集成對其成本不會有明顯增加，而傳感器的成本則有大幅度下降。因此？Raw Data方案也越來越被關注。

　　1．2 Raw Data型

　 　Raw Data型方案是最有爭議的一個方案，系統只要求傳感器輸出原始數據，后端多媒體處理器完成所有ISP和圖像編解碼等功能，和普通的數碼相機的解決方案一 樣，而多媒體處理器則類似于數碼相機中的核心處理器。 SP80708和SP83308就是基于這種應用方案設計的，其結構框圖見圖2。

　　圖2：Raw Data傳感器SP0708和SP3308的結構框圖。

　　從結構上看，Raw Data型傳感器實際是YUV 傳感器去掉ISP和部分傳感器控制功能之后的簡化產品。

　 　這種方案在最低端手機和最高端手機中都有應用。如聯發科的MTK6226和展訊6600D+華邦99685，就屬于這一方案在低端手機上的應用。而可以 支持到3.2M Raw Data 傳感器，Broadcom的BCM2820甚至可以支持8M像素的Raw Data 傳感器，很多高端手機采用了這些方案。

　　對于3.2M以上的高像素拍照手機，Raw Data方案從系統設計的角度講是合理的。高像素的拍照手機為了取代傳統數碼相機，對圖像質量的要求已經達到專業級的要求。在提高模擬前端圖像采集性能的 同時，后端復雜的圖像處理技術也是必不可少的。要把這些功能復雜的ISP集成到傳感器中，幾乎很難實現，比如復雜的彩色插值算法要求保存一幀的Raw Data，需要很大的緩沖，傳感器中不可能做到；而性能越來越高的多媒體處理器，無論是處理能力，還是配備的緩沖，都非常適合來完成這個功能。從整個系統 的結構和性價比來看，這種方案也是最有競爭力的。

　　對于低端的VGA拍照手機，傳感器的成本壓力越來越大。Raw Data型的傳感器是降低成本最有效的方案。聯發科推出的一系列平臺方案就恰好集成了圖像處理的功能，MTK6226就是最典型的代表。

　 　Raw Data型方案目前也存在缺點，它需要傳感器廠商和多媒體芯片或是平臺廠商緊密配合，才能很順利的完成系統集成。尤其是方案設計階段，對不同的傳感器，甚 至相同的傳感器搭配不同的鏡頭，都需要基于多媒體芯片重新調試圖像效果。傳感器廠商只有得到這些平臺廠商的配合，才能完成design-in。

　 　目前手機市場的情況是YUV型和Raw Data型兩種方案并存。思比科也有針對性的開發出了不同的產品，來滿足客戶多元化的需求。其中SP0818和SP2318滿足YUV型手機客戶的需求， 而SP80708和SP83308則符合Raw Data型手機客戶的要求。

　　2．PC攝像頭

　　相對手機而言，PC攝像頭（PC-CAM）是一個較為簡單的應用。由于英特網的普及以及越來越流行的網絡視頻應用，PC-CAM的需求量也非常龐大。SP80708在滿足手機應用的同時，也因為高性價比的優勢而被大量使用在PC-CAM上。

　　PC-CAM的方案非常簡單，一顆DSP搭配一顆傳感器，就組成了一個PC-CAM方案。圖3是一個典型的PC-CAM的結構圖。

　　圖3：典型的PC-CAM方案。

　 　SP80708采用了思比科最新的像素技術，感光度高達1.2V，足以滿足PC-CAM對低照度的嚴格要求；色彩還原性好，原始數據經過簡單處理就可以 達到理想的效果；而像素尺寸縮小到3.2umx3.2um，可以較大幅度降低傳感器成本。同時內嵌思比科特有的曝光控制算法，很大程度上提高了動態范圍， 在各種光照條件的復雜環境下，都能達到理想的曝光效果。

　　PC-CAM也有很多種類。從傳感器的分辨率來分，有30萬像素，130萬像素 和200萬像素的PC-CAM，早期甚至還有10萬像素的產品。由于受到USB帶寬的限制，PC-CAM很少有200萬像素以上的產品。從傳感器的類型來 分，有使用Raw Data 傳感器的PC-CAM，也有使用YUV 傳感器的產品；絕大多數DSP都集成了ISP的功能，但多數的ISP只支持到VGA，所以大多數30萬像素的PC-CAM都采用Raw Data的傳感器，或是采用YUV 傳感器的Raw Data輸出，而130萬像素和200萬像素的產品則多使用YUV 傳感器。

　　從 DSP的功能來分，PC-CAM又可以分為USB1.1和USB2.0兩種，因為USB1.1的帶款很窄，視頻在傳到 PC之前需要壓縮，所以USB1.1的DSP都集成了JPEG壓縮的模塊；而USB2.0則能夠傳輸未經壓縮的VGA視頻流，因此USB2.0的PC- CAM視頻質量優于USB1.1的產品。有些USB2.0的DSP也集成了JPEG模塊，向下兼容USB1.1的應用，以保證產品能應用在非常低端的PC 上。

　　隨著市場的多元化發展，PC-CAM產品的種類也越來越多。如有帶語音輸入功能的、有帶自動聚焦和跟蹤功能的。而最近出現的“免驅動”的PC-CAM，則有可能成為未來的主流產品。

　　3．監控系統

　 　傳統的監控系統幾乎都采用CCD。隨著CMOS 傳感器技術的發展，CMOS的品質已經達到CCD相當的水平。而監控系統應用的普及，也面臨著降低成本的壓力。低成本的CMOS取代CCD在監控系統上應 用的趨勢已經非常明顯。圖4是采用CMOS 傳感器的監控系統的典型結構。

　　圖4： IP camera解決方案。

　 　傳感器將采集到的高品質圖像數據轉換成標準YUV格式，傳給后邊的處理器，處理器完成對視頻的壓縮，并通過有線或無線網絡，將壓縮后的視頻流發送出去。 因為監控系統的應用環境差別比較大，而且都是處于全天候工作狀態，因此對傳感器的要求非常高，比如傳感器的動態范圍，靈敏度，溫度特性等，都比普通的傳感 器高出很多。思比科目前正在積極開發這類產品，預計在年內推出新一代寬動態范圍，高靈敏度的傳感器，滿足監控領域的應用需求。

　　思比科的產品完全根據客戶的需求設計，具有性價比高，應用方便的特點。表1總結了思比科系列產品的技術指標，這些產品適用于各種解決方案，可以滿足絕大多數客戶的需求。

　　表1： 思比科系列產品指標。

基于USB傳輸及CMOS圖像傳感器的指紋識別儀的實現

　　引　言

　　CMOS圖像傳感器是近年來得到快速發展的一種新型固態圖像傳感器。它將圖像傳感部分和控制電路高度集成在同一芯片里，體積明顯減小、功耗也大大降低，滿足了對高度小型化、低功耗成像系統的要求。與傳統的CCD圖像傳感器相 比，CMOS圖像傳感器還具有集成度高、控制簡單、價格低廉等諸多優點。因此隨著CMOS集成電路工藝的不斷進步和完善，CMOS圖像傳感器已經廣泛應用 于各種通用圖像采集系統中。同時作為一種PC機與外圍設備間的高速通信接口，USB具有許多突出的有點： 連接簡便，可熱插拔，無需定位及運行安裝程序，無需連接外設時關機及重啟系統，實現真正的即插即用；高傳輸速率，USB1.1協議支持12Mb/s；不占 用系統硬件資源，能夠自動檢測和配置外圍設備，不存在硬件沖突問題。

　　因此，利用CMOS數字圖像傳感器與USB接口數據傳輸來實現的指 紋識別儀具有結構簡單，體積小，便攜化等優點?，F將介紹利用OMniVision公司的CMOS彩色數字圖像傳感器OV762M和cypress公司的 EZ—USB AN2131QC USB控制傳輸芯片（內部集成了增強形51內核）來實現指紋信息的采集和USB傳輸，同時由于指紋傳感器輸出數據的速率（27MB/s）與USB控制器 （AN2131QC）數據傳輸速率（12Mb/s）的不匹配，故系統采用了SRAM和CPLD構成中間高速緩沖區。

　　系統結構

　　應用AN2131QC、CPLD和OV762M設計的指紋識別系統硬件框圖如圖1所示：

　　圖1　指紋識別硬件系統簡略框架圖

　 　首先，AN2131QC通過I2C對指紋識別傳感器（OV7620）的窗口設置等參數進行配置，光學透鏡把像成在OV762M的像面上后，CMOS圖像 傳感器（OV7620）對其進行空間采樣，并按照一定的幀頻連續輸出8位的數字圖像數據Y［7∶M］（輸出數字圖像數據的幀同步信號為VSYNC，水平有 效信號為HREF，輸出時鐘信號為PCLK）。為了實現指紋傳感器輸出數據與USB控制器（AN2131QC）讀取數據速度與時序的匹配，使用了 SRAM（IS61C1024）和CPLD構成高速緩沖區，利用此高速緩沖區將OV762M采集的指紋數據緩存。最后AN2131QC實現與上位機的 USB通信，將高速緩沖區中數據的傳輸到PC機進行相應圖像處理。

　　CMOS數字圖像傳感器OV7620

　 　CMOS數字圖像傳感器OV762M集成了一個664×492 的感光陣列、幀（行）控制電路、視頻時序產生電路、模擬信號處理電路、A/D轉換電路、數字信號輸出電路及寄存器I2C編程接口。感光陣列得到原始的彩色 圖像信號后，模擬處理電路完成諸如顏色分離與均衡、增益控制、gamMA校正、白電平調整等主要的信號處理工作，最后可根據需要輸出多種標準的視頻信號。 視頻時序產生電路用于產生行同步、場同步、混合視頻同步等多種同步信號和像素時鐘等多種內部時鐘信號，外部控制器可通過I2C總線接口設置或讀取 OV762M的工作狀態、工作方式以及數據的輸出格式等。

　　AN2131QC通過I2C總線接口設定OV762M的寄存器來控制輸出幀率 在0.5幀/s～3M幀/s之間變化，輸出窗口在4×2～664×492 之間可調（默認輸出640×48M的標準VGA格式），設置黑白平衡等。根據指紋采集的需要，窗口輸出設置為： 320×288，經過設定后的OV762M輸出時序如圖2 所示：

　　圖2　0V762M輸出時序

　 　VSYNC是垂直場同步信號（也是每幀同步信號，CMOS是按列采集圖像的），其下降沿表示一幀圖像的開始，HREF 提供了一種有效的控制方式，當輸出像素行列分別處于設定窗口之間時HREF 為有效高電平，此時輸出有效的視頻數據，PCLK是輸出數據同步信號，上升沿輸出一個有效的像素Y［7∶M］。

　　基于CPLD技術的高速數據緩沖區的實現

　　在由CPLD和SRAM構成的高速數據緩沖區中，CPLD充當了SRAM的控制器，其內部電路實現框圖如圖3所示：

　　圖3　SRAM高速緩沖區控制器的CPLD實現

　 　圖3中ram_rd，raM_wr為輸出到SRAM的讀寫信號線，raM_data，ram_addr為SRAM的數據地址總線；latch_f為 SRAM的讀寫允許信號，當為高電平時允許對SRAM寫操作，為低電平時允許對SRAM讀操作；兩個8路三態門用于隔離總線，當對SRAM寫時，輸出 cpu_datA為高阻態，當對SRAM讀時，將采集數據信號Y ［7∶M］隔離；cpu_rds，vsync為開始讀寫信號，單個正脈沖將SRAM地址置0；cpu_rD作為SRAM快速讀脈沖，pclk為SRAM寫 脈沖；irq為寫滿標志，用于向上提供中斷標志；地址發生器用于產生SRAM地址（IS61C1024有17根地址線）。

　　圖4　CPLD實現的仿真波形

　 　由圖3中邏輯知道，當允許對SRAM寫（latch_f=1）且采集的數據有效（href=1）時，pclk脈沖通過地址發生器產生地址（sync單個 正脈沖將SRAM地址復位到0），將采集的數據Y［7∶M］寫入SRAM中，當寫滿（寫完一幀的32M像素×288像素）時，irq信號有效，通過中斷將 latch_f置低允許將SRAM數據讀出（cpu_rds單個正脈沖將SRAM地址復位到0），此后cpu_rD通過地址發生器產生地址將SRAM中數 據讀出到USB緩沖區。上述邏輯仿真波形如圖4 所示（由于數據線和地址線較多，故只取其中部分信號時序，cpu_datA為X 表示其值根據SRAM數據總線上具體值而定），由圖4 可知，CPLD實現了對SRAM的控制，與SRAM一起組成了高速數據緩沖區。

　　USB控制接口芯片AN2131QC特性簡介

　 　AN2131QC是基于USB1.1協議設計的，支持高速12Mb/s的傳輸速率，內嵌有增強型8051微控制器、8kB的RAM和一個智能USB內核 的收發器，它包含一個I2C總線控制器和3個8位多功能I/O口，有8位數據總線和16位地址總線用于外部RAM擴展。其結構如圖5所示。

　　圖5　AN2131QC結構簡圖

　 　AN2131QC內部的USB差分收發器連接到USB總線的D+和D-上。串行接口引擎（SIE）對USB總線上串行數據進行編碼和譯碼（即實現USB 協議的打包和解包工作），同時執行錯誤糾正、位填充及其它USB需要的信號標準，這種機制大大減輕了8051的工作，簡化了固件的編程。內核微處理器是一 個增強型8051，其指令周期為4 個時鐘周期并具有雙DPTR指針，同時指令與標準8051兼容。它使用內部RAM存儲固件程序和數據，上電后，主機通過USB總線將固件程序和外設特性描 述符下載到內部RAM（也可以直接從板上E2PROM上讀?。?，然后重連接，按照下載的特性描速符進行重枚舉，這種設計可以實現軟件USB快速批量傳輸的實現。

　 　當采集的指紋數據導入了由SRAM和CPLD構成的高速數據緩沖緩沖區后，要通過USB接口將數據發送到上位PC機，AN2131QC必須先將數據讀入 到內部USB緩沖區，因此，AN2131QC將數據傳到內部USB緩沖的速度將是整個USB數據傳輸速度快慢的關鍵。為了使USB數據傳輸（從外部讀入數 據并將之傳到PC機）達到最快，需要采用很多措施，下面就設計指紋識別儀固件（AN2131QC程序）中采用的USB批量傳輸進行探討。

　　正常情況下，AN2131QC內核結構從外部讀入數據到USB的端點緩沖區，要使用的匯編程序為：

　　movx a，@dptr；讀外部數據到acc寄存器incdptr；外部地址加1

　　incdps；切換DPTR指針（內核有雙DPTR指針，用dps進行切換）

　　movx @dptr，a；將acc內容放入USB緩沖區

　　incdptr；USB緩沖區地址加1

　　incdps；切換DPTR指針

　 　由上述程序可知，數據在寄存器中完成操作后，都必須有一個“incdptr”和“incdps”指令來完成16位地址的增加和緩沖區指針切換。為了消除 這種內部消耗，使用AN2131QC提供的一種特殊的硬件指針即自動指針（只用于內部緩沖區），8051裝載USB緩沖區地址到兩個AUTOPTRH （高字節地址）和AUTOPTRL（低字節地址）寄存器中，向AUTODATA寫入的數據就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址緩沖區中，并且內 核自動增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。這樣USB緩沖區可以像FIFO一樣來順序寫入數據，節省了每次寫內部USB緩沖區時的 “incdptr”指令。同時內核還提供一種快速模式（只用于對外部數據操作），此模式從外部讀數據“movx a，@dptr”時，直接將外部數據總線和內部緩沖區連在一起，由于使用CPLD和SRAM構成的指紋高速緩沖區具有FIFO的性質，所以使用快速模式讀 外部指紋數據時也節省了“incdptr”指令。將上述兩種方式結合起來，讀外部數據到內部緩沖區程序就只需要一條指令：movx @dptr，A（dptR存放AUTODATA寄存器地址），此指令需要兩個8051機器周期（8個24MHz時鐘周期）。這樣，一個字節可以在 333ns內讀入到USB端點緩沖區。

　　在USB接口數據傳輸一側，當PC機要對一特定端點進行讀數據并發送IN令牌，如果一個IN令牌 到達時8051還沒有完成向USB端點緩沖區的數據裝載（讀外部數據），AN2131QC就發送一個NAK握手信號來響應IN令牌，表明PC機應該在稍后 再發送一個IN令牌。為了解決這種等待從而達到最快的傳輸速度，可以使用雙緩沖技術（端點配對），使8051在前一個數據包在USB總線上傳輸的時候，裝 載塊數據的下一個數據包。

　　結　論

　　利用CMOS數字圖像傳感器OV762M和 USB控制器AN2131QC實現的指紋儀結構簡單，體積小，使用方便。指紋識別系統中使用CPLD技術實現了高速緩沖，解決了速度時序匹配問題；使用了 快速批量USB傳輸技術實現了數據的快速傳輸，使指紋數據的傳輸達到最高速（每幀傳輸只用80Ms）。使用現論述的方法實現的指紋儀采集的指紋數據經PC 機重現后效果如圖6所示（左圖是未經任何處理的重現，右圖是經過平滑、細化等算法處理后的重現）。

　　圖6　采集指紋重現效果（處理前后）

新型CMOS圖像傳感器設計

　　金屬氧化物半導體元件（Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS）圖像傳感器和電荷耦合元件（Charge Coupled Device，CCD）攝像器件在20年前幾乎是同時起步的。CCD是應用在攝影攝像方面的高端技術元件，CMOS則應用于較低影像品質的產品中。

　　由于CCD器件有光照靈敏度高、噪音低、像素小等優點，所以在過去15年里它一直主宰著圖像傳感器市場。與之相反，CMOS圖像傳感器過去存在著像素大，信噪比小，分辨率低這些缺點，一直無法和CCD技術抗衡。但是隨著大規模集成電路技術的不斷發展，過去CMOS圖像傳感器制造工藝中不易解決的技術難關現已都能找到相應解決的途徑，從而大大改善了CMOS圖像傳感器的圖像質量。

　　1 CMOS有源像素傳感器

　　近來 CMOS圖像傳感器受到重視首要原因在于過去大大低于CCD的靈敏度問題逐步得到解決。因為與CCD相比，CMOS傳感器具有更好的量產性，而且容易實現包括其他邏輯電路在內的SoC（System on Chip）產品，而這在CCD中卻很難實現。尤其是CMoS傳感器不像CCD那樣需要特殊的制造工藝，因此可直接使用面向DRAM等大批量產品的生產設備。這樣一來，CMOS圖像傳感器就有可能形成完全不同于CCD圖像傳感器的成本結構。

　　圖1示出了有源像素CMOS圖像傳感器（ActivePixel Sensor，APS）的功能結構圖，其中成像部分為光敏二極管陣列（Photo Diode Array）。

　　四場效應管（4T）有源像素CMOS圖像傳感器的每個像素由光敏二極管、復位管T2、轉移管T1、源跟隨器T3和行選通開關管T4組成，如圖2所示。

　　轉移管T1被用來將光敏二極管連接至源跟隨器T3，并通過復位管T2與VDD相連。T3的柵極與T1和T2之間的N+擴散區相連。與3T結構的APS相比，減少了與T3的柵極相關的漏電流效應。源跟隨器T3的作用是實現對信號的放大和緩沖，改善APS的噪聲問題。T4是用來將信號與列總線相連。其工作過程是：首先進入“復位狀態”，T2打開，對光敏二極管復位；然后進入“取樣狀態”，T2關閉，光照射到光敏二極管上產生光生載流子，并通過源跟隨器T3放大輸出；最后進入“讀出狀態”，這時行選通管T4打開，信號通過列總線輸出。

　　APS具有低讀出噪聲和高讀出速率等優點，但像素單元結構復雜，填充系數降低，填充系數一般只有20％～30％。為了提高像素的填充系數，APS在像素的上方設置了微透鏡（Micro-lenses），如圖3所示。

　　由APS陣列所獲得的圖像信息，經過圖1中列模數轉換器（Column ADC）轉換為數字信號后，再經過一系列的后續處理過程，得到輸出如圖4所示的幀圖像數據結構。

　　2 圖像的預處理過程及方法

　　為了得到良好的圖像質量，需要對所采集的原始圖像數據進行處理。一般上，圖像的預處理是在協處理器中完成的。最近，隨著SoC技術的發展，可以在CMOS傳感器中集成圖像預處理功能．這正顯示了CMOS圖像傳感器的優勢所在。

　　圖像的預處理主要包括了缺陷修正、去除FPN噪聲、色彩差值，圖像銳化差值、光圈修正、Gamma修正等一系列處理。

　　通過數字圖像處理算法來實現來實現上述的圖像預處理過程，其硬件平臺可以是集成在SoC中的圖像處理電路、ASIC圖像處理芯片，或通用的DSP芯片。首先是消除圖像中的缺陷，如果某一個像素中有缺陷，而導致了其輸出電平被鉗位于高電乎（黑點）或低電平（白點），就需要通過圖像處理來進行彌補。通常是使用其周圍相同顏色像素的平均值來代替該像素的輸出值。

　　通常情況下，不同列的列模／數轉換器存在著差異，這就導致了固定模式噪聲（fixed Pattern Noise，FPN）的產生。圖4中Black Lines中的數據就是用來消除FPN的。協處理器會利用這一部分數據來達到消除FPN的目的。

　　由于每個像素上為某種彩色濾光片，所以要通過色彩差值來得到其余兩種色彩信息。Gamma修正是為了消除在電學器件和光學器件之間在信號傳輸上的非線性效應。

　　從以上的圖像處理過程可知，許多算法中使用了差值，這就導致了圖像的平滑化，而為了恢復銳利的圖像，就需要進行光圈修正。在圖像處理中，通過邊緣檢測而得到的銳化邊緣對差值后的平滑圖像進行卷積，從而得到銳利的圖像。

　　3 結 語

　　為了提高CMOS圖像傳感器的圖像質量，通過對圖像主要的噪聲源以及圖像失真的分析，本文提出了一種新型的CMOS有源像素圖像傳感器。該CMOS圖像傳感器使用4T有源像素，大大提高了圖像傳感器的靈敏度。通過在傳感器中集成圖像預處理功能，對改善圖像的質量起到了很好的效果。

基于CMOS圖像傳感器的納型衛星遙感系統設計

　　納型衛星是指質量在1～10kg 之間的衛星。與微型衛星相比， 納型衛星對遙感系統在質量、體積、功耗等方面的要求更加苛刻。目前廣泛用于微型衛星遙感系統的電荷耦合器件CCD很難滿足納型衛星的使用要求。CMOS圖 像傳感器采用標準的CMOS 技術， 繼承了CMOS 技術的優點， 如靜態功耗低、動態功耗與工作頻率成比例、噪聲容限大、抗干擾能力強、特別適合于噪聲環境惡劣條件下工作、工作速度較快、只需要單一工作電源等。雖然 CMOS 器件的研究還未完全成熟， 如電離環境下暗電流稍大等問題還沒有很好地解決，還不能完全取代CCD， 但不可否認CMOS 器件將是未來遙感傳感器的發展方向。本文設計了一套納型衛星CMOS 遙感系統， 并對其進行了熱循環實驗研究。

　　1　納型衛星遙感系統的設計

　　1. 1　遙感系統總體設計

　　納星遙感系統如圖1 所示， 包括鏡頭、CMOS圖像傳感器、現場可編程門陣列FPGA、靜態隨機存儲器SRAM 和微控制器5 部分。

　　圖1　納星遙感系統框圖

　　1. 2　光學系統設計

　　1） 焦距設計

　 　遙感相機光學系統的原理如圖2 所示。圖中用一個透鏡代表實際光學系統的透鏡組， 示意了視場中地面景物的最小可分辨單元在成像面上產生一個相應的點。對于衛星遙感相機的光學系統， 因為成像物距等于衛星軌道高度h， 相對于焦距f 來說可認為是無窮遠， 所以可認為光線都是近軸的平行光。這些近軸平行光通過光學系統的透鏡組后， 匯聚在透鏡組的焦平面上。因此， 從透鏡組中心到焦點的距離， 焦距將大體上決定聚光系統的長度， 而光學系統的理論分辨率則主要由光學孔徑D決定。

　　圖2 光學系統原理圖

　　在實際設計中， 焦距通常是根據地面分辨率和圖像傳感器的大小通過下式來確定的：

　　式中： h為衛星到地面的距離， rd為CMOS圖像傳感器探測面半徑， R為相機成像覆蓋半徑。

　　2） 光學孔徑設計

　　為保證成像器件探測面獲得足夠的曝光量， 根據遙感光學系統的經驗計算相機光學系統的光圈數：

　　實際設計中， 一般取F≤4～5。

　　遙感相機光學系統可近似為望遠鏡系統， 其最小分辨角， 即望遠鏡分辨率， 可用剛好能分辨開的兩物點對系統的張角θr 表示， 根據望遠鏡分辨率和Rayleigh 衍射判據有如下計算式：

　　式中λ為中心波長。光學系統在平坦地面上的理論分辨率為

　　式中θt為地物中心對光學系統的張角。

　　設計中應綜合考慮式（2） 和（4） 的結果， 選定的設計參數在保證遙感系統獲得足夠光照的情況下，要同時滿足設計分辨率的要求。

　　1. 3　電子系統設計

　 　考慮到星地相對運動速度， 每幅圖像的曝光時間約為幾毫秒， 故設計中采用現場可編程門陣列（FPGA ） 對CMOS 圖像傳感器進行時序控制， 并將輸出的圖像數據保存到SRAM 中。當需要傳輸圖像的時候， 由FPGA 將保存在SRAM 中的圖像數據讀出， 通過CAN總線傳至星上數據處理系統。

　　1） 器件選型

　　CMOS 圖像傳感器按照像元電路可分為無源像素傳感器（PPS） 和有源像素傳感器（APS）。目前國際上能夠買到的分辨率達到106級以上的CMOS圖像傳感器并不多， 價格差異也很大， 設計中應根據CMOS 圖像傳感器的光學要求和市場狀況綜合選型。為保證成像質量， 納型衛星上宜選用CMOS 有源像素傳感器。

　　FPGA根據實現技術機理的 不同， 可分為反熔絲型、EPROM或EEPROM型、Flash型、SRAM型等幾種。根據航天器件要求， FPGA 控制器件宜選擇反熔絲型FPGA 產品。選擇SRAM 時， 主要考慮圖像數據量要求以及SRAM的數據端口位數、存取時間、工作溫度、功耗等因素。

　　CAN 總線接口的主要任務是接收星上數據處理模塊發來的命令， 完成對相機的相關監控， 將獲得的圖像數據分時發送給星上數據處理模塊。本文選用的微處理器在MCS251 系列單片機的基礎上集成了CAN 控制器， 既可以實現對遙感系統簡單的監控功能， 又可以方便地實現CAN 通訊功能。

　　2） FPGA 控制器設計

　　作為相機成像模塊的控制核心， FPGA 負責產生所有重要的控制時序， 包括產生CMOS 圖像傳感器的工作時序， 把讀出CMOS 圖像傳感器數據存到SRAM 中; 將存放在SRAM 中的圖像數據分時輸出。整個FPGA 的傳輸模型如圖3 所示。

　　圖3　FPGA 設計模型圖

　 　FPGA 對CMOS 圖像傳感器的成像控制如狀態轉換圖4 所示。當系統啟動后， FPGA 先向CMOS 圖像傳感器發出芯片復位指令， 芯片復位完成后， 讓Reset 指針沿著像素矩陣逐行移動， 而使Read 指針保持在初始位置（第0行） ， 進行讀前行復位。當Reset 指針到達某一目標行， 其間所間隔的時間滿足積分時間時， 即開始激活Read 指針， 并開始移動Read 指針， 進行讀取。如此循環交替移動兩個指針， 不斷進行讀間行復位、行讀取、讀間等待， 即可保證整個像素陣列各行都符合所要求的積分時間。

　　圖4　FPGA 狀態轉換圖

　　3） CAN 總線接口設計

　 　CAN 總線接口的主要任務是接收星上數據處理模塊發來的命令， 監控遙感相機模塊的工作狀態，包括遙感相機模塊的電源控制、電流監測、溫度監測、曝光時間控制等功能， 并將獲得的圖像數據分時發送給星上數據處理模塊。設計上， 星上數據處理模塊發來的指令會使微控制器進入中斷， 設置相應的標志。微控制器查詢各標志的變化， 根據星上CAN通訊協議完成相關動作， 包括監測遙感模塊工作溫度、工作電流， 設置曝光時間， 進行圖像數據傳輸等操作。

　　2　納型衛星遙感系統的熱循環實驗

　　2. 1　實驗系統及方案

　　為了方便完成在設計階段的單模塊調試， 實現遙感系統地面原理與性能測試， 本文采用PC機模擬星上數據處理系統， 利用CAN 卡將CMOS 相機與PC機相連， 建立了一套CMOS遙感系統地面測試系統。

　 　本文采用德國Vtsch IndustrietechnikVT7034 型恒溫實驗箱， 在60～- 5℃溫度區間內，每下降5℃采集一組暗圖像。熱循環實驗之所以按照從高溫到低溫的順序進行， 是因為實驗所用恒溫箱不能抽真空。如果反過來進行實驗， 盡管不斷向恒溫箱內充氮氣， 箱內微量空氣中的水氣仍可能凝結在相機上， 影響實驗結果。

　　2. 2　特征參數的提取

　　1） 平均暗輸出

　　平均暗輸出是在沒有光照的條件下圖像傳感器輸出的平均灰度值， 可由下式進行計算：

　　其中： I i，j是圖像傳感器在無光照條件下輸出的暗圖像灰度值矩陣， M 、N 是圖像傳感器像素陣列的行數和列數。

　　2） 暗不一致性

　　理想情況下， 在無光照的時候圖像傳感器的輸出也應該是均勻的。但是圖像傳感器的像素間總是存在差異的， 因此暗輸出總有波動。波動的大小表明圖像傳感器像素性能的穩定性， 計算方法是求出暗圖像各像素輸出灰度值的標準差

　　其中各符號的含義與暗噪聲計算式（5） 相同。

　　2. 3　實驗結果及分析

　　按照2. 1 所述的方案進行實驗， 得到了CMOS相機在60～- 5 ℃溫度區間內平均暗輸出以及暗不一致性隨溫度的變化曲線， 分別如圖5、圖6 所示。

　　圖5　平均暗輸出隨溫度的變化曲線

　　圖6　暗不一致性隨溫度的變化曲線

　 　從圖中可以看出， 平均暗輸出隨著溫度的升高大致呈上升趨勢。當溫度小于10 ℃時， 平均暗輸出上升速度較快;10～ 15 ℃上升趨緩;從15 ℃開始略有下降，到30 ℃時達到低谷，10～30℃之間，總的來說平均暗輸出值變化比較平穩; 30 ℃以上， 平均暗輸出值又以較快的速度上升。本文選用的CMOS圖像傳感器為256 級灰度輸出， 實驗中平均暗輸出的變化范圍為7.7567～10.1092。

　 　平均暗輸出之所以隨著溫度的升高大致呈上升趨勢， 是因為溫度升高， CMOS圖像傳感器及其外圍電子器件的熱噪聲都會升高; 而平均暗輸出在10～30 ℃之間變化比較平穩， 甚至在15～30 ℃之間略有下降， 是因為CMOS圖像傳感器在設計上的特殊考慮保證了其在常溫下具有最優的工作性能;這同時也說明了這套遙感系統的電噪聲主要來源于CMOS圖像傳感器。

　　暗不一致性隨溫度的變化不大， 實驗中其變化范圍為0.6148～0.8542，比平均暗輸出低一個數量級， 可以忽略。

　 　實驗中還測試了CMOS相機的耐低溫性能。關機后將相機降溫至- 25 ℃，達到溫度平衡后再升溫至0 ℃，開機采集圖像， 分析其性能變化。實驗測得經受低溫后， CMOS相機在0℃下的平均暗輸出為7.2323， 比先前略有降低; 暗不一致性為0.8781，比先前略有增大。由于實驗中暗不一致性始終比平均暗輸出低一個數量級， 其變化相對平均暗輸出可以忽略， 所以這個結果說明關機狀態下低溫環境不會對CMOS相機的成像質量產生顯著的不良影響。綜上所述， 本文設計的這套CMOS遙感相機在10～30℃之間平均暗輸出變化平穩， 暗不一致性可以忽略，有利于對成像質量的控制和校正，是理想的成像溫度范圍。

　　3　結論與展望

　 　本文設計了一套納型衛星CMOS遙感系統， 體積為62mm×62mm×35mm，功耗小于0.6W， 質量小于150g，采用10μm像素尺寸、1024×1024像素數目的CMOS圖像傳感器， 光譜響應范圍為400～800nm，配合焦距為50mm的鏡頭，在800km的太陽同步軌道上，可以實現大于150km×150km的地面覆蓋面積和優于 160m 的地面分辨率，適于納型衛星獲取多光譜和彩色的普查信息。熱循環實驗表明， 該CMOS遙感相機能夠耐受空間環境中- 25～60 ℃的衛星艙內溫度變化， 在10～30 ℃的溫度范圍內工作穩定，可通過地面測試數據對其在空間獲取的圖像進行校正補償。

　　由于國際上對CMOS圖像傳感器在航天領域的應用研究較少， 所以設計出來的CMOS相機在上天之前， 還需要研究其熱真空性能和抗輻照性能， 提出相應的補償、加固措施。