樊红星，张小超，刘磊，周鹏，赵博
（中国农业机械化科学研究院土壤植物机器国家重点实验室，北京100083）
摘要：针对日本滨松公司的CMOS线阵图像传感器G9214?512S，设计基于FPGA的同步工作模式的图像数据采集系统，使用VHDL语言对此系统进行描述，并用Xilinx ISE Design Suit自带的ISim软件对设计的时序进行仿真。采用Xilinx公司的Spartan 3 XC3S200A?4VQ100进行FPGA配置和验证，仿真结果表明该数据采集系统的时序正确，具有较高的实用价值。
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关键词 ：FPGA；CMOS传感器；数据采集系统；模/数转换器
中图分类号：TN98?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）14?0129?04
收稿日期：2014?12?15
基金项目：国家国际科技合作专项项目：激光光谱小麦品质信息智能在线获取技术合作研发（2014DFA31660）
0 引言
近红外（NIR）光谱仪是一种测量物质对近红外辐射的吸收率或透过率的分析仪器，由于其检测过程绿色，无损，快速等特点，已经广泛应用于农业、食品工业、石油化工、生物化工、制药业地质学等领域，近红外光谱仪也因此成为近年来分析仪器的热点研究领域之一[1]。
作为近红外光谱仪核心器件的光电传感器的发展，对高性能光谱仪的研发起到了重要的推动作用。过去，光谱仪的光电传感器采用CCD 传感器，但由于CCD 型传感器耗电量大、工艺复杂、成本较高、驱动程序复杂，因此，基于CCD的近红外光谱仪的发展缓慢。随着半导体技术的进一步发展，CMOS传感器诞生，相对于CCD 传感器来说，CMOS图像传感器具有成本低、功耗低，集成度高、体积小的优点，已经逐渐替代CCD应用于各种光电检测系统中，因此，开发基于CMOS传感器的光谱仪，发展前景广阔，具有较高的市场价值与实用价值[2]。
本文分析了G9214?512S图像传感器的工作模式，采用FPGA技术完成了其数据采集系统，使用VHDL语言对所设计系统进行描述，最后用Xilinx ISE DesignSuit软件自带的ISim仿真软件对其进行仿真和验证，结果证明该数据采集系统的时序正确性。
1 系统简介
该数据采集系统由FPGA 主控模块，CMOS 图像传感器模块和A/D 模数转换器模块组成，其系统框图如图1所示。FPGA主控模块提供系统所需要的时序和控制指令，外存储器M25P80 存储FPGA 配置信息，FPGA内部的FIFO缓存模块采用IP核产生，用来存储采集到的数据，以便后续图像处理系统进行数据处理，其数据缓存容量为10K×16 b，一次可以缓存20 帧图像信息。CMOS图像传感器将光信号转换成模拟电压信号，输出给模/数（A/D）转换器进行模/数转换。A/D 转换器模块将采集到的模拟数据转换成16 b 串行数字信号，将其存入到FPGA内部移位寄存器，然后存入FIFO缓存器，完成一次数据采集[3]。
2 G9214?512S 图像传感器
2.1 传感器参数
G9214?512S传感器是滨松公司专为近红外多通道光谱仪而设计的InGaAs线性CMOS图像传感器。具有动态范围高、像元小、分辨率高、暗电流小的特点，该传感器参数如下[4]：感光波长为0.9~1.7 μm；像元数目为512；像元尺寸为25 μm×25 μm；动态范围为16 666；工作时钟为0.1~4 MHz。G9214?512S 传感器像元分为具有为奇、偶2路，每路256像元，外部信号对这两路像元的工作进行单独控制，使其工作于同步工作模式或者异步工作模式。同步工作方式驱动方案简单，因此本文所述数据采集系统采用同步工作方式。CMOS 芯片的信号处理电路提供了2种工作方式：宽动态范围和高增益模式，在传感器CfSECLECT 引脚加高电平实现高增益工作模式，加低电平即可实现宽动态范围工作模式。
G9214?512S 传感器CMOS 芯片结构图如图2 所示。G9214?512S片上CMOS电路集成了时序产生电路，因此其时序驱动简单，外部提供给传感器时钟信号和复位信号即可，双相关采样电路可以有效地减小复位噪声，移位寄存器电路可以保证信号准确有效的移出。
2.2 传感器工作时序图
传感器单路工作时序图如图3所示。可以看出，同步工作模式下，传感器需要2个外部输入时序信号：时钟信号CLK和复位信号RESET。本文所述数据采集系统采用同步积分模式：在一个复位周期中，RESET信号保持一段时间高电平，变为低电平，积分结束，等待2个时钟CLK，传感器将256个像元电荷信号以模拟电压形式VIDEO 输出，VIDEO 的信号周期是主时钟CLK 频率的1 8 ，输出VIDEO 信号的同时，传感器输出一个触发外部操作信号TRIG，用于启动外部A/D转换器的操作，电荷输出结束，进入等待阶段[5]。
3 模/数转换器
AD7961是Analog Device公司生产的16 b，5 MSPS，电荷再分配逐次逼近型（SAR）接口的模/数转换器，具有结构紧凑、功耗低、转换精度高和抗干扰性强的优点。AD7961具有差分输入接口、差分输出接口和差分控制接口，所有转换结果通过一个LVDS自时钟或回波时钟串行接口传送给FPGA[6]。本文采用回波时钟工作模式，其工作模式时序图如图4所示。
如图4所示，在CNV信号上升沿，ADC初始化，传感器开始进行采样，CNV信号高电平保持一段时间后，变为低电平后，开始有数据输出。FPGA在CNV信号上升沿一段时间后，给A/D 转换器一个获取数据时钟AD_CLK，A/D转换器给FPGA一个回波时钟DCO，转换后的16 b数据与DCO 同步，在每个DCO 上升沿，FPGA获取转换后的16 b数字信号。
4 FPGA 主控模块
FPGA具有可靠性好、集成度高、速度快、引脚数目多、硬件可编程开发灵活、易于维护，适合时序电路设计的特点[7]，由于G9214?512S 采用同步工作方式，奇、偶2 路信号同步输出，因此需要2 路A/D 转换器，AD7961采用差分信号控制，所需控制器引脚较多，FPGA 引脚数目多的优点满足了此要求。VHDL 是一种标准硬件描述语言，广泛应用于数字系统的建模和仿真。在分析G9214?512S传感器工作的基础上，设计采用Xilinx公司的Spartan 3 XC3S200A?VQ100，开发语言采用VHDL，采用模块化设计，开发工具采用Xilinx 的ISE DesignSuite 14.5，实现了全部的设计和仿真[3]。
FPGA主要功能接口示意图如图5所示。
图5 中，数字符号“0”代表偶路信号，数字符号“1”代表奇路信号。FPGA 功能分为3 部分：产生G9214?512S传感器的驱动时序；产生A/D转换器的控制信号；其内部IPcore生成的FIFO 缓存器存储A/D 转换器发送来的数据。FPGA 的主时钟M_CLK 为50 MHz，作为全局时钟，通过分频产生传感器工作时钟CLK，快速时钟FAST_CLK 为200 MHz，用来进行FPGA 内部数据转移和FIFO缓存器的数据存储。
5 基于FPGA 的驱动时序的实现
5.1 传感器驱动时序的FPGA实现
经过以上分析，将FPGA主时钟M_CLK进行25分频得到传感器时钟CLK频率2 MHz，设定积分信号高电平有200个传感器时钟CLK，等待阶段取20个传感器时钟，经计算1次数据输出需要2 270个传感器时钟CLK[8]。传感器时序仿真图如图6和图7所示。
图6中，M_CLK为全局时钟，RESET信号为全局复位信号，CLK为传感器时钟信号，SEN_RST为传感器的复位信号，TRIG 信号为FPGA 仿真G9214?512S 传感器的输出工作状态（实际工作中，该信号由传感器输出）[9]。采用同步复位工作方式，在CLK下降沿时，SEN_RST信号变为低电平，等待2个时钟进入触发模式，1个触发信号频率为传感器主时钟CLK频率1 8 。图7所示，传感器发出256个触发信号后，等待20个空闲时钟，然后进入下一轮的复位周期。
5.2 ADC驱动时序的FPGA实现
将传感器的TRIG 信号作为触发FPGA 启动A/D 转换器的信号。将A/D 转换器的一次数据转换周期CNV信号分为空闲状态serial_idle，模/数转换状态serial_cnv，读状态serial_read，FIFO 存储状态serial_fifo，状态机如图8所示。
A/D 转换器时序和状态机变化仿真图及状态机变化如图9所示。当全局复位信号RESET低电平时，数据采集系统初始化，此时FIFO为空。当RESET信号变为高电平，数据采集系统进入工作状态：触发信号TRIG来临之前，A/D 转换器工作于空闲状态serial_idle，触发信号TRIG 来临，A/D 转换器进入模/数转换状态seri?al_cnv，同时启动减计数器cnv_cnt，此阶段A/D 转换器将传感器发送来的模拟信号转换成数字信号，当模数转换状态serial_cnv 保持18 个FAST_CLK 周期后，A/D 转换器进入读状态serial_read，转换后的16 b 数据存入FPGA内部移位寄存器DATA_REG，当回波信号计数器dco_cnt 记16 个数，A/D 转换器进入FIFO 状态seri?al_fifo，此时，FIFO 存储器的写信号FIFO_WR 变高，移位寄存器中16 b数据存入FIFO 缓存器中，在下一个快速时钟FAST_CLK上升沿来临，A/D转换器进入空闲状态idle_state，A/D转换器一个工作周期结束。
在测试代码中，模拟A/D转换器给出一系列随机串行数字信号，可以看出FPGA在每个回拨时钟DCO上升沿将相应的数字信号存储在内部寄存器DATA_REG中。A/D转换器时序和状态机变化如图9所示，从仿真结果看，所设计的状态机及时序变化达到了设计要求。
6 结语
本文分析了G9214?512S 传感器的工作方式，使用FPGA 实现了CMOS图像传感器采集系统的设计，并对同步工作方式数据采集系统进行了设计和仿真验证，仿真结果证明了所设计数据采集系统时序的准确性，满足了CMOS传感器面向高速、小型化、智能化的需求[10]。
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参考文献
[1] 张小超，吴静珠，徐云，等.近红外光谱分析技术及其在现代农业中的应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
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[3] 曾桂英，潘金燕.基于FPGA 的CMOS 图像传感器采集系统设计[J].科学技术与工程，2010（3）：692?695.
[4] 范铁道，田雁，曹剑中，等.基于FPGA的CMOS图像感器IA_G3驱动电路的研究[J].电子器件，2009，32（2）：269?273.
[5] Hamamatsu 公司.G9211?G9214 器件手册[M].[出版地不祥]：Hamamatsu公司，2013.
[6] Analog Device 公司.AD7961 器件手册[M].[出版地不祥]：Ana?log Device公司，2013.
[7] 乔庐峰，伊廷辉，李永成，等.VHDL大学实用编程[M].北京：电子工业出版社，2011.
[8] 陈智，邱跃洪，张伯珩.基于CPLD 的CCD 驱动电路的设计[J].科学技术与工程，2007（12）：2964?2967.
[9] 郑群星.Xilinx FPGA 数字电路设计[M].北京：科学出版社，2012.
[10] 崔岩，吴国兴，殷美琳，等.基于FPGA 的线阵CCD 驱动设计[J].现代电子技术，2011（10）：206?207.
作者简介：樊红星（1989—），男，河南新乡人，硕士。主要进行近红外光谱仪成像技术方面的研究。
张小超（1957—），男，江苏南京人，研究员，博士生导师。主要从事精准农业与智能化农业装备的研究。
周鹏（1986—），男，江苏南京人，硕士。主要进行数字信号处理方面的研究。
赵博（1981—），男，陕西西安人，研究员，博士。主要进行农产品品质检测技术的研究。
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