基于CMV 4000图像传感器的老练电路设计

龙泓霖，杨世洪

（1.中国科学院大学，北京 100049；

2.中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209）

基于CMV 4000图像传感器的老练电路设计

龙泓霖1，2，杨世洪2

（1.中国科学院大学，北京 100049；

2.中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209）

首先，阐述了图像传感器CMV 4000的性能和用途；然后，在比较两种老练方法的优缺点之后，针对CMV 4000的工作特点，利用Xilinx公司的Spartan-6和德州仪器公司的TMS 320C28335，设计了专用的老练电路；最后，在此平台的基础上编写了相应的VHDL程序和C程序，给出了采集到的图像。此外，该软硬件设计的方法与思路同样适用于其他类似的CMOS图像传感器。

动态老练；图像传感器；电路设计；位对准

0 引言

电子器件分很多等级，由高到低有宇航级、军品级、工业级和民用级[1-2]。其中，宇航级器件的可靠性最高，但是价格高昂。由于外国政府对中国企业采取封锁的政策，所以中国企业能够买到的宇航级器件往往都是性能差、价格高的产品。工业、民用级电子器件被统称为商用现货，虽然它们的价格低廉、性能优越，但其可靠性却不佳[2]。所以，如何从商用现货中筛选出高可靠性的器件，就变得非常重要。

CMV 4000是比利时CMOSIS公司设计的一款新型工业图像传感器，性能优越，因而被广泛地应用于图像获取、卫星遥感等领域。国内多家单位开展了把它应用于航天器上的研究和试验，所以有必要设计一种能够进行老练筛选CMV 4000的电路，对器件进行升级筛选。

老练分为静态老练和动态老练两种。进行静态老练时，将电路接上电源和地，其他输入管脚并联接入电阻并和电源端相连，使电路内部的晶体管基本实现反偏，其优点是方法普适， 缺点是不能够让内部的多数晶体管充分地翻转[3]；进行动态老练时，除了将电路接上电源和地外，还需要在输入管脚上加上适当的信号，以使电路内部实现节点翻转，其优点是能够让多数晶体管都得到老练，缺点是必须根据内部电路的特点来专门设计老练电路[4]。本文选择动态老练对CMV 4000进行筛选。

1 电路设计

老练电路的原理框图如图1所示。

图1 老练电路原理框图

动态老练具有较强的针对性，必须根据老练对象的特点来设计老练电路。CMV 4000的输入、输出信号较多，包括19对差分线和其他控制信号。另外，为了提高老练的效率，电路板上集成了10路图像传感器的接口，这样一来信号线就相当可观了。所以，本设计采用FPGA加DSP的构架，所有的CMV 4000的信号输出、输入都连接到FPGA，FPGA完成图像信号的接收和处理，DSP则负责对整个系统进行控制。

FPGA选用Xilinx公司的Spartan-6，具体的型号为XC6SLX100，封装FGG 676。该款FPGA的用户引脚多达480个，差分引脚多达240对，能够满足本设计对引脚数目的需求。除此之外，XC6SLX100的内部资源非常丰富，具有101 261个逻辑单元，4 824 kb的Block RAM。足够多的Black RAM既保证了后面代码编写部分将会提到的图像缓存拼接的顺利完成，也为代码调试使用Chipscope抓取足够长的波形，从而方便分析逻辑。XC6SLX100还包含了6个时钟管理单元，它能够倍频、分频、抖动滤波、去歪斜和延时，提供各种高质量的时钟信号。而在IO模块中的IBUFDS资源，只需配置DIFF_TERM属性为FALSE就在差分输入端端接了电阻，这样免去了在输入端人为外接100 Ω电阻的操作，使用起来非常方便。FPGA处理完数据之后，通过Camera Link接口将图像数据发送给采集卡进行采集。

Camera Link是在视频应用领域广泛遵守的硬件接口标准，它使得相机和采集卡的连接规范化。Camera Link标准以国家半导体公司制定的Channel Link技术为基础发展而来，而Channel Link则是以低压差分信号 （LVDS：Low Voltage Differential Signaling）技术为基础发展而来的一种小摆幅的差分信号技术[5]。在电路上，通常用差分方式来克服共模噪声。正因为如此，Camera Link可以高速地传输图像数据。在该标准中，推荐了几款接口芯片，包括DS90CR281、 DS90CR283、DS90CR285和DS90CR287等，其中，DS90CR287的速度最快，最高可以工作在85 MHz下，最快速率为2.38 Gbit/s。本文即采用DS90CR287，该芯片能够把FPGA发来的28 bit的并行数据高速串行发送到采集卡上。

DSP芯片选用美国德州仪器公司的TMS 320C28335，该芯片外设资源丰富，集成了SPI、SCI、ADC和FPU等，主要完成对电路板和CMV 4000传感器的控制，并对各路CMV 4000的工作电流进行监控，一旦器件工作异常，其能够及时地关闭相应的电源，以及和上位机的通信，实现CMV 4000的参数设置和显示。

2 代码设计

2.1 FPGA代码编写

CMV 4000共有16路差分输出，本设计用到了8路。传感器全局曝光后，给出帧请求信号，图像就会逐行读出，每行有2 048个像素点，共计2 048行。每行像素点通过8路差分对同时输出，即当每个差分对输出256个像素点时，一行图像就输出完毕，如此反复2 048次，一帧便输出完毕。而每256个像素点都是串行输出，其中每个像素点10 bits，则是从最低位 （LSB）到最高位 （MSB）依次输出的。根据CMV 4000的输出特点，设计了如图2所示的FPGA代码编写框图。

图2 FPGA程序框图

2.1.1 位对准 （Bit Alignment）

对于数字信号有两个特别重要的概念，即建立时间与保持时间。从数据信号到达触发器输入端，到时钟上升沿到来的这段时间，被称作建立时间；在这个时间内，数据信号一定要建立起来，并且保持稳定，触发器才能采样到正确的电平。时钟上升沿到来之后，数据信号不能马上撤离 （变化），还要稳定一段时间，以便输出正确的值，这段时间被称作保持时间。所以设计者希望能把时钟上升沿对着数据信号1个bit的稳定部分甚至是中间部分，如图3所示。基于以上的考虑就想到了通过延时图像数据来达到这一目的。基于这两个原因而需要Bit Align（位对齐）。Spartan-6内部有一个模块：IODELAY2。IODELAY2既可以固定延时也可以可变延时，实现0～255个taps的延时。每个tap时延75 ps。通过它便能采集到稳定、正确的每一位的图像输出。

图3 Bit Alignment示意图

2.1.2 串并转换与字对齐

CMV 4000的时钟信号是DDR的方式。在上升沿和下降沿都有数据输出，为了在下降沿也能移入数据，需要采用IDDR电路。在Spartan-6的ILOGIC2（输入逻辑资源）中，就有IDDR2电路模块。通过它，图像数据在下降沿和上升沿分成两路进入FPGA内部，提高了输入的速度。然后移入移位寄存器，完成串并转换，读取到一个10 bits。但是，这10 bits的每一位并不一定属于同一个像素点的bit，往往需要字对齐 （Word Alignment），对齐之后，这10 bits就是一个像素点完整的10 bits了。

2.1.3 图像拼接

本设计用到CMV 4000的8路输出，每一路输出的图像数据并不是整幅图，而是一幅图的1/8，即每路差分对输出的是宽度为256个像素、高度为2 408的图像条带。把这8个条带拼接起来就可以形成完整的一帧图像。拼接在FIFO中完成，由于Camera Link的工作频率远高于数据的写入频率，所以本设计采用异步FIFO。使用赛灵思公司的开发软件ISE，调用IP核即可完成FIFO的生成。图像拼接好后，按照Camera Link的协议标准，把图像数据、帧有效、行有效和数据有效信号分配到DS90CR287输入端，由DS90CR287输出后供采集卡采集。

2.2 DSP代码编写

TMS320C28335是德州仪器公司生产的一款DSP芯片，有丰富的外设资源，方便设计者使用。DSP首先给FPGA和各个图像传感器上电，然后开始AD转换，监控每路传感器的电流是否正常，如有异常则立即关断，并且发送异常图像传感器的序号给电脑。

DSP还有另外两个作用，即与上位机的SCI通信和与FPGA的SPI通信。上位机通过串口发送某种指令，然后由SPI总线发送给FPGA，FPGA收到并执行相应的操作，例如：修改曝光时间、传感器ADC增益和切换显示某个CMV 4000的图像。

CMV 4000老练电路板如图4所示，在本设计电路板上，用CMV 4000采集到的图片如图5所示，从图5中可以看出，图像清晰可辨，实现了预期的功能。电路板可以交付给老练试验人员使用。

图4 CMV 4000老练电路板

3 结束语

本文基于FPGA和DSP设计的CMV 4000图像传感器动态老练电路，可以使CMV 4000处于正常的工作状态，并通过Camera Link接口实时地显示拍摄的图像，既可以对多达10路的CMV 4000进行老练，也可以对CMV 4000进行全面的功能、性能测试和筛选，实现了设计需求。

图5 采集到的图像

[1]江理东，夏泓.集成电路可靠性升级试验 [J].电子产品可靠性与环境试验，2001，19（2）：40-44.

[2]王峰，郭金生，李晖.商用现货器件在卫星中的应用[J].航天器工程， 2013， 22 （4）： 87-94.

[3]郁振华，朱卫良.FPGA电路动态老化技术研究 [J].电子与封装，2010，10（7）：24-7.

[4]朱卫良.集成电路动态老化新技术的实施 [J].电子与封装， 2008， 8 （11）： 12-5.

[5]赵强.基于 Camera Link的数字图像采集处理及以太网传输系统 [D].重庆：重庆大学，2014.

Design of Burn-in Circuit Based on Image Sensor CMV 4000

LONG Honglin1，2， YANG Shihong2
（1.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；2.Institute of Optics and Electronics， Chinese Academy of Sciences， Chengdu 610209， China）

Firstly， the performance and application of image sensor CMV 4000 are described.And then， after comparing the advantages and disadvantages of two kinds of burn-in test， a specified circuit is designed by using Spartan-6 of Xilinx company and TMS 320c28335 of TI according to the working characteristics of CMV 4000.Finally， on the basis of this platform， the corresponding VHPL program and C program are compiled，and the acquired image is given.And the methods and ideas of the hardware and software design is also applicable to other similar CMOS image sensors.

dynamic burn-in； image sensor； circuit design； bit alignment

TP 212

A

1672-5468（2017）04-0074-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.014

2017-01-17

2017-03-07

龙泓霖 （1986-），男，四川营山人，中国科学院大学光电技术研究所，硕士研究生，研究方向为航天电子元器件筛选技术。

工业园再生资源回收加工总产值达110亿元

“城市矿产”是对废弃资源再生利用规模化发展的形象比喻。以铜为例，生产1×103kg铜需消耗1.35×105kg铜矿石和5.4×104kg标准煤，而回收利用废弃铜可实现变废为宝、缓解资源供应的瓶颈、减少环境污染。汨罗市经过多年的培育，已初步探索出一条以产业带动园区、以园区提升产业的循环经济发展之路。2010年，汨罗循环经济工业园回收废旧物资量达1.34×109kg，实现再生资源加工量6.89×108kg，其中包括再生铜1.95×108kg，再生铝1.09×108kg。目前，汨罗市有色金属加工集群被列入湖南省有色金属产业重点发展的八大集群之一，也是全国知名的铜材加工基地。

（摘自中华网）