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基于CMOS图像传感器的相机系统设计

作　者: 刘新明
导　师: 刘朝晖；刘文
学　校: 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）
专　业: 光学工程
关键词: CMOS图像传感器 LUPA-4000 系统设计积分时间同步方式
分类号: TB852.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

CMOS图像传感器具有能耗低、集成度高和抗辐射能力强等优点。使用高性能的CMOS图像传感器设计适用于空间环境的相机系统,其能耗、质量和体积相对较小,同时也具有成本低和开发周期短的优势。发达国家已经开始将CMOS图像传感器应用于星敏感器、太阳敏感器和遥感成像等空间应用领域。本文使用一款高性能CMOS图像传感器LUPA-4000设计了相机系统,在设计和实验过程中深入了解CMOS图像传感器的特性,并进行必要的工程技术经验的积累。本文所做的主要工作有:1.归纳了CMOS图像传感器应用于空间环境的国内外现状。2.对CMOS图像传感器的原理、芯片结构、技术指标和发展方向等进行了分析总结,并就其性能与CCD进行了比较。3.在详细分析LUPA-4000像素原理及供电的基础上,选择使用多片LDO,并结合电源监控芯片构成供电系统;同时依据其驱动信号特点,选用FPGA作为驱动信号产生载体,配合通信、数据传输等外围芯片,设计出相机系统电路硬件。结合光学镜头与机械外壳,组装成系统样机。4.采用自上而下,模块化设计的方法,使用VHDL语言设计了包括通信、CMOS图像传感器驱动以及图像数据格式转换等模块的相机系统驱动程序,实现了SPI寄存器初始化、积分时间调节、同步方式切换等功能。5.进行了相机系统的调试工作。通过测试计算得到了相机系统的主要性能参数。进行实验性的拍摄,验证了相机系统的所有功能。6.总结了相机系统存在的问题,提出下一步设计的改进建议。经长时间实验及测试,相机系统运行稳定可靠,采集获得的图像质量较高。使用CMOS图像传感器设计相机系统,是一种可行的空间成像系统选择。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章引言  9-17
  1.1 课题研究背景  9
  1.2 CMOS图像传感器应用于空间环境的国内外现状  9-15
    1.2.1 CMOS图像传感器应用于星敏感器  9-11
    1.2.2 CMOS图像传感器应用于太阳敏感器  11-12
    1.2.3 CMOS图像传感器应用于遥感成像  12-14
    1.2.4 CMOS图像传感器应用于可视监控系统  14-15
    1.2.5 CMOS图像传感器空间应用的国内外差距  15
  1.3 本论文所做主要工作及论文结构  15-17
第二章 CMOS图像传感器  17-30
  2.1 CMOS图像传感器的发展  17-18
  2.2 CMOS图像传感器的原理及特点  18-27
    2.2.1 主要指标参数  18-20
    2.2.2 CMOS图像传感器的结构  20-21
    2.2.3 CMOS图像传感器的像素结构  21-24
    2.2.4 CMOS图像传感器发展趋势  24-27
      2.2.4.1 降低噪声  24
      2.2.4.2 提高灵敏度  24-25
      2.2.4.3 提高动态范围  25-26
      2.2.4.4 高速成像  26-27
      2.2.4.5 抗辐射能力  27
      2.2.4.6 单芯片数字相机  27
  2.3 CMOS图像传感器与 CCD的比较  27-30
第三章 CMOS图像传感器 LUPA-4000  30-39
  3.1 LUPA-4000的特性参数  30-31
  3.2 LUPA-4000芯片结构及内部模块  31-34
  3.3 LUPA-4000的驱动信号  34-39
    3.3.1 供电和地连接  35-36
    3.3.2 偏置和模拟信号  36
    3.3.3 像素阵列驱动信号  36-38
    3.3.4 读出控制信号  38-39
第四章基于 LUPA-4000的相机系统硬件设计  39-53
  4.1 电路硬件设计  39-51
    4.1.1 总体设计  39-40
    4.1.2 器件选择  40-43
      4.1.2.1 FPGA  40-41
      4.1.2.2 图像数据传输  41-42
      4.1.2.3 串行通信  42
      4.1.2.4 供电  42-43
      4.1.2.5 电源监控  43
    4.1.3 电路原理图设计  43-48
      4.1.3.1 供电设计  43-45
      4.1.3.2 电源监控  45-46
      4.1.3.3 LUPA-4000偏置  46-47
      4.1.3.4 ADC参考电压设置  47
      4.1.3.5 FPGA与其它芯片的连接  47-48
      4.1.3.6 板间连接  48
    4.1.4 PCB设计  48-50
      4.1.4.1 传感器板  48-49
      4.1.4.2 控制板  49-50
    4.1.5 电路板成品  50-51
  4.2 相机系统样机  51-53
第五章相机系统接口电路设计  53-75
  5.1 驱动程序总体设计  53-54
  5.2 各模块设计及仿真  54-70
    5.2.1 串口通信(UART)模块  54-57
    5.2.2 串口数据转换(UART_DATA_CONV)模块  57-59
    5.2.3 同步控制(SYN_CONTROL)模块  59-60
    5.2.4 SPI控制模块  60-62
    5.2.5 传感器驱动(CMOS_DRIVE)模块  62-70
      5.2.5.1 积分过程  62-65
      5.2.5.2 读出过程  65-69
      5.2.5.3 图像数据格式转换  69-70
  5.3 驱动程序整体仿真  70-71
  5.4 驱动信号硬件测试  71-75
第六章相机系统调试与测试  75-89
  6.1 相机系统调试过程中问题  75-76
  6.2 相机测试  76-89
    6.2.1 相机性能测试实验  76-77
    6.2.2 主要性能指标测试  77-80
      6.2.2.1 暗电流  77-78
      6.2.2.2 读出噪声与增益  78-79
      6.2.2.3 动态范围  79
      6.2.2.4 线性与满阱电荷  79-80
    6.2.3 实验拍摄样张及分析  80-86
    6.2.4 平场校正  86-89
第七章总结与展望  89-91
  7.1 本文总结  89
  7.2 研究展望  89-91
参考文献  91-94
攻读硕士期间发表的论文  94-95
致谢  95

基于CMOS图像传感器的相机系统设计

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