基于CMOSIS&CMV4000的成像电路设计
最近新完成了一个有关CMOS的成像电路，传感器采用比利时CMOSIS公司出的CMV4000图像传感器。CMOSIS是由Cypress公司分离出来的大多数科研人员组成的，公司成立于2008年1月份，总部位于比利时的安特卫普。CMOSIS进行专业图像传感器的设计及生产，致力于医疗、机器视觉、运动分析、空间、生物计量及国防应用提供解决方案。
&&&&&&该公司的标准货架产品列表如下：
Resolution
Shutter Type
Pixel Size
Optical Format
Frame Rate
Output Interface
Applications
0,3MP - 648(H) x 488(V)
Pipelined global shutter with true CDS
7.4 x 7.4 μm2
300 fps (10 bit)
4 LVDS outputs @ 300 Mbps - 10-bit CMOS output @
50 Mhz (150 fps)
2MP - 2048 (H) x 1088 (V)
Pipelined global shutter with true CDS
5.5 x 5.5 μm2
340 fps (10 bit)
70 fps (12 bit)
16 LVDS outputs @ 480 Mbps
4MP - 2048(H) x 2048 (V)
Pipelined global shutter with true CDS
5.5 x 5.5 μm2
180 fps (10 bit)
37 fps (12 bit)
16 LVDS outputs @ 480 Mbps
12MP - 4096(H) x 3072(V)
Pipelined global shutter with true CDS
5.5 x 5.5 μm2
150 fps (10 bit)
90 fps (12 bit)
150 fps (10 bit) - 90 fps (12 bit)
20MP - 5120(H) x 3840(V)
Pipelined global shutter with true CDS
6,4 x 6,4 μm2
30 fps (12 bit)
16 LVDS channels @ 480 Mbps
70MP - 10000 (H) x 7096 (V)
Electronic rolling shutter with true CDS
correction
3.1 x 3.1 μm2
8 analog channels
&&&&&&&&&&&&我的设计针对CMV4000芯片，分辨率为，采用12bitsADC和12bitsLVDS模式，4output方式。CMV4000主时钟采用20MHz，数据率为240Mbps。
&&&&&&&&&&&
FPGA使用ALTERA公司的EP2C8Q208，该芯片有4个bank，将一个bank设置为LVDS工作方式，其他3个bank为LVTTL
IO。CMV4000的4个输出通道直接连接到FPGA芯片引脚。FPGA产生CMV4000工作所需的时钟信号和控制信号，还有SPI配置信号。
其中包括：CMV_CLK& CMV4000主时钟，20MHz
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CMV_RESN& CMV4000复位信号
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图像请求信号
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&T_INT1/2&
外部曝光控制信号
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
SPI使能信号
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SPI_CLK&& SPI时钟
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
SPI数据输入
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&SPI_OUT&&
SPI数据输出
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&LVDS_CMV_CLKN/P
CMV4000LVDS时钟输入
&&&&&&&&&&&
手册中给出了CMV4000的上电时序，必须严格按照CMV4000的上电时序来做。
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按照大多数的cmos图像传感器工作特点，CMOS在上电后需要对内部工作寄存器进行初始化，才用VHDL语言编写SPI物理层接口程序，和CMV4000初始化配置程序，配置CMOS的工作方式、设置曝光时间、增益、通道设置等参数。
&&&&&&&&&&&&
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CMV4000上电配置结束后，FPGA发送图像请求，随即开始接收来自LVDS接口的串行数据，程序设置位对齐检测模块，当正确接收到字节/字数据之后，启动有效数据接收模块，在行场有效信号的同步下，正确接收图像数据。
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硬件上设置了两片2048x8bits的SRAM芯片，用于存储图像数据。由于整帧图像大小为，所以需要将图像分为上下两部分分别存储在两片SRAM中。
另外由于采用4通道模式，四个通道的像元数据同时到达，所以必须在12个像素位周期内存储完4个同时到达的四个像素数据。
所以，存入SRAM1中的字节依次为，第一行第一个像素，第一行第512个像素，第一行第1024个像素，第一行第1536个像素，然后是第一行第二个像素，第一行第513个像素，第一行第1025个像素....
第二行的数据依次类推...
所以在SRAM读出的过程中，如果是依次读出SRAM中的数据，则数据传输到PC机之后，采集软件需要根据SRAM的存储次序，将图像数据重新排序回来，还原为原始的正常的图像。
这里，硬件设计采用单通道LVDS接口，将图像数据传输到PC机的LVDS采集卡，上位机软件进行读取。该LVDS接口采用10MHz速度，所以传输一帧图像的速度较慢，大概为3s左右。
硬件电路如下图所示：
下面是上位机采集软件采集的完整的图像，图像大小为.
为了调试方便，初始化过程中，曝光时间设置约为10ms，而在该系统的测试环境中，10ms的曝光时间太少了，传感器对于图像的电荷累计不足，而且在存储和读出SRAM过程中，均选取12bits图像中的低8位数据，所以上面的图像看起来，整体偏暗，且部分区域已经有了翻转的现象。但是整个数据采集和传输流程是没有问题的。
接下来就是根据实际的应用环境，适当的设置曝光时间、增益等参数，选择图像的高位信息进行图像处理，以达到后端数据处理单元所需的最终效果。
进一步提高fps：
目前CMV4000采用的设计思路是4通道输出，12bits模式，数据率为240MHz。按照手册中的典型值：
4通道输出，12bits模式，数据率480MHz，帧率37.5fps。
按照如上计算，理论上，我们采用240MHz的数据率，帧率应该是18.75fps。每帧耗时53.333ms。
如果数据率仍然使用240MHz，但是数据宽度改为10bits模式，则一个像素数据将减少2个数据时钟，即在10个数据时钟，即可输出一个像素数据。即，每个像素节省了2*1/240MHz＝8.333ns。
按此计算，一帧数据个像素总共节省时间为：8.333ns*＝34.951ms。
用当前设计的每帧耗时，减去可以节省下来的时间，就是10bits模式时，每帧图像的耗费时间：
T＝53.333ms－34.951ms＝18.382ms。
则在240MHz数据率，10bits模式下，理论帧率为：1/18.382＝54.4fps。
当然，这个值只是理论计算值，具体帧率还要根据实际测量得到。可通过测量FVAL信号宽度和周期计算得知。
&&电脑模拟的星点图：
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CMV12000 Image Sensors - CMOSIS
Additional Resources
CMOSIS CMV12000 Image SensorsCMOSIS CMV12000 Image Sensors are global shutter CMOS image sensors with 4096 by 3072 pixels in an Advanced Photo System Type C (APS-C) format. The format supports super HG imaging (4k). The image array consists of 5.5um by 5.5um pipelined global shutter pixels. These pixels allow exposure during read out while performing CDS operation, significantly reducing fixed pattern and dark noise. CMV12000 has 64 digital low voltage differential signaling (LVDS) serial outputs running at 600Mbps. This feature results in 300fps frame rate at full-resolution in 10-bit mode. Higher frame rates can be achieved in row-windowing mode or row-subsampling mode. The image sensor also integrates a programmable gain amplifier and offset regulation. All operation modes are all programmable using a SPI interface. A programmable onboard sequencer generates all internal exposure and read out timings. External triggering and exposure programming are also possible. Extended optical dynamic range can be achieved by multiple integrated high dynamic range modes. A 12-bit per pixel mode is available at reduced frame rates.
Specifications
Resolution 12MP - 4096(H) x 3072(V)
Pixel size: 5.5um x 5.5um
Optical Format: Advanced Photo System Type C (APS-C)
Frame Rates (at full resolution): 300fps (10-bit mode) and 140fps (12-bit mode)
Output Interface: 64 LVDS outputs at 600Mbps
Sensitivity: 4.17V/lux.s
Conversion Gain: 0.075LSB/e-
Full Well Charge: 13.5Ke-
Dark Noise: 13e-RMS
Dynamic Range: 60dB
Signal to Noise Ratio (SNR) Max: 41.3dB
Parasitic Light Sensitivity: 1/50000
Dark Current: 125e-/s (25°C)
Fixed Pattern Noise: & 1LSB (&0.1% of full swing)
Supply Voltage: 1.8V / 3.3V
Power: 3000mW
Operating Temperature: -30° to +70°C
Package Options: ceramic 237 pins uPGA
Pipelined global shutter type with true CDS
Region of Interest (ROI) windowing capability with up to 32 separate ROIs, row based only
X-Y mirroring function
Multiplexable output channels: 32, 16, 8, 4, or 2 possible
Multiple High Dynamic Range (HDR) modes up to 90dB
On chip temperature sensor and timing generation
SPI programmable
3.3V signaling
Monochrome and Bayer (RGB) configuration
RoHS compliance
Applications
Machine vision
Motion control
Traffic monitoring
High speed inspection
Block Diagram
Evaluation Kit - designed for testing and evaluating the operation and image quality of the CMV12000 image sensor. The kit evaluates all aspects of the CMV12000 sensor by providing full access to the sensor registers. It allows the user to to grab and save single or multiple images in multiple formats. Color processing is not supported by this evaluation system. The CMV12000 sensor is not included with the kit.
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