摘 要： 針對目前道路抓拍相機(jī)分辨率低的現(xiàn)狀，提出一種基于FPGA的大面陣CMOS圖像傳感器驅(qū)動設(shè)計。設(shè)計采用Micron公司的CMOS圖像傳感器MT9P401，以Altera公司生產(chǎn)的EP2C8T144C8為硬件平臺，將Verilog HDL編寫的I2C總線模塊嵌入FPGA內(nèi)部實現(xiàn)對CMOS圖像傳感器參數(shù)的設(shè)置。軟件仿真和實驗結(jié)果表明驅(qū)動設(shè)計合理，CMOS圖像傳感器在驅(qū)動時序的作用下，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
關(guān)鍵詞： FPGA；MT9P401；CMOS圖像傳感器；I²C總線

汽車在給人們生活帶來便利的同時也帶來了交通事故。其中超速行駛是造成交通事故的重要隱患之一。據(jù)研究表明，目前針對車輛超速行駛情況的道路抓拍系統(tǒng)中所使用的圖像傳感器大多為小面陣器件，普遍為100萬～200萬像素,從而導(dǎo)致抓拍圖像的像素比較低、能夠同時抓拍的車道數(shù)較少等等問題。面對這一系列問題，大面陣的圖像傳感器便逐漸成了人們關(guān)注的熱點。在設(shè)計過程中，分析了具有500萬像素的CMOS圖像傳感器MT9P401的工作模式,選用QuartusⅡ做為開發(fā)工具，使用Verilog HDL語言對驅(qū)動電路設(shè)計方案進(jìn)行了硬件描述，并對所設(shè)計的驅(qū)動時序進(jìn)行仿真和驗證。
1 MT9P401圖像傳感器介紹
1.1 主要特點
MT9P401是Micron公司的一款具有500萬像素的CMOS圖像傳感器。該芯片的主要特點有：圖像分辨率為2 592 H×1 944 V，像元尺寸為5.7 mm×4.28 mm，最大傳輸速率為96 Mb/s，相應(yīng)的采樣速率為14 f/s，動態(tài)范圍為70.1 dB。
MT9P401圖像傳感器將像素矩陣、串行接口、陣列控制器、A/D轉(zhuǎn)換電路等集成在一起。當(dāng)MT9P401的像素矩陣受到光照時，由于光電效應(yīng)使光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，由此產(chǎn)生的模擬信號傳送至內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器，輸出相應(yīng)的數(shù)字信號?？刂葡袼鼐仃嚨男盘栍删仃嚳刂破鳟a(chǎn)生，矩陣控制器通過串行接口操作。
1.2 電子曝光方式
MT9P401圖像傳感器有兩種電子曝光方式，分別對應(yīng)兩種不同的快門模式。
(1)電子卷簾快門(Electronic Rolling Shutter)：對任一像素，在曝光開始時將其清零，等待曝光時間過后，將信號值讀出。數(shù)據(jù)的讀出是串行的，所以清零、曝光、讀出也只能逐行順序進(jìn)行，通常是從上至下，和機(jī)械的焦平面快門非常像。此曝光方式的特點是每個像素曝光時長相同，但曝光時間點不同。
(2)全局快門(Global Shutter／Snapshot Shutter)：每個像素點增加了采樣保持單元，在指定時間內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后順序讀出，這樣雖然后讀出的像素仍然進(jìn)行曝光，但存儲在采樣保持單元中的數(shù)據(jù)卻并未改變。因圖像的積分時間相等，所以每個像素點在同一瞬間曝光。此曝光方式的特點是能同時復(fù)位所有像素，但曝光時長不同，可用機(jī)械快門實現(xiàn)同時結(jié)束曝光。
1.3 像素數(shù)據(jù)讀出時序分析
MT9P401圖像傳感器共有256個內(nèi)部寄存器，內(nèi)部寄存器的設(shè)置決定了MT9P401的工作狀態(tài)。MT9P401與外部控制器的通信依靠I2C總線[1]，在I2C總線協(xié)議下輸出每一幀圖像數(shù)據(jù)。默認(rèn)情況下，MT9P401的像素時鐘與外部輸入時鐘同步，MT9P401一幀圖像的像素包括1 944行和2 592列，每經(jīng)過一個像素時鐘周期，都有一個12 bit的像素數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)輸出引腳輸出，幀有效信號(Frame_Valid)的周期為70 ms，行有效信號(Line_Valid)的周期為35 μs。當(dāng)幀有效信號(Frame_Valid)和行有效信號(Line_Valid)均為高電平時，輸出像素數(shù)據(jù)。當(dāng)幀有效信號(Frame_Valid)為低電平時，出現(xiàn)垂直消隱。當(dāng)行有效信號(Line_Valid)為低電平時，出現(xiàn)水平消隱。像素數(shù)據(jù)讀出時序如圖1所示。