圖像傳感器畢業(yè)實習報告

1、<p>　　實 習 報 告</p><p><b>　　實習目的</b></p><p>　　掌握圖像傳感器的相關知識并選擇圖像傳感器。</p><p>　　掌握基于DM6446的音視頻開發(fā)板原理，包括硬件電路、軟件流程、各種資源和開發(fā)環(huán)境等。</p><p>　　為本次畢業(yè)設計奠定相關實踐基礎。<

2、/p><p><b>　　實習內(nèi)容</b></p><p>　　掌握圖像傳感器的相關知識并選擇圖像傳感器</p><p>　　國家標準GB/T 7665-2005對傳感器的定義是；能感受被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。敏感元件，指傳感器中能直接感受或響應被測量的部分；轉(zhuǎn)換元件，指傳感器中能將敏感元件

3、感受或響應的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。</p><p>　　常見的圖像傳感器可以分為CCD和CMOS兩種，下面分別對其進行介紹</p><p>　　CCD(Charge Coupled Devices) 又稱為電荷耦合器件，是20世紀70年代初開始發(fā)展起來的新型半導體器件。從CCD概念提出到商品化的電荷耦合攝像機出現(xiàn)僅僅經(jīng)歷了四年。其所以發(fā)展迅速，主要原因是它的應用范圍相當廣

4、泛。它在數(shù)字信息存貯、模擬信號處理以及作為圖像傳感器等方面都有十分廣泛的應用。</p><p><b>　　CCD工作原理</b></p><p>　　CCD的突出特點在于它以電荷作為信號。CCD的基本功能是電荷的存貯和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作原理應是信號電荷的產(chǎn)生、存貯、傳輸和檢測。CCD有兩種基本類型，一種是電荷包存貯在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面

5、傳輸，這種器件稱為表面溝道CCD(簡稱為SCCD)；另一種是電荷包存貯在離半導體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸，這種器件稱為體溝道或埋溝道器件(BCCD)。下面以SCCD為主討論CCD的基本工作原理。</p><p><b>　　電荷存貯</b></p><p>　　圖1(a)為金屬一氧化物一半導體(MOS)結(jié)構(gòu)圖。在柵極未施加偏壓時P型半導體中將有

6、均勻的空穴(多數(shù)載流子)分布。如果在柵極上加正電壓，空穴被推向遠離柵極的一邊。在絕緣體SiOz和半導體的界面附近形成一個缺乏空穴電荷的耗盡區(qū)，如圖l(b)。隨著柵極上外加電壓的提高，耗盡區(qū)將進一步向半導體內(nèi)擴散。絕緣體Si02和半導體界面上的電勢(為表面勢)隨之提高，以致于將耗盡區(qū)中的電子(少數(shù)載流子)吸引到表面，形成一層極薄而電荷濃度很高的反型層，如圖l(c)所示。反型層形成時的外加電壓稱為閾值電壓。</p><p

7、>　　反型層的出現(xiàn)說明了柵壓達到閾值時，在Si02和P型半導體之間建立了導電溝道。因為反型層電荷是負的，故常稱為N型溝道CCD。如果把MOS電容的襯底材料由P型換成N型，偏置電壓也反號，則反型層電荷由空穴組成，即為P型溝道CCD。實際上因為材料中缺乏少數(shù)載流子，當外加柵壓超過閾值時反型層不能立即形成；所以在這短暫時間內(nèi)耗盡區(qū)就更向半導體內(nèi)延伸，呈深度耗盡狀態(tài)。深度耗盡狀態(tài)是CCD的工作狀態(tài)。這時MOS電容具有存貯電荷的能力。同時，

8、柵極和襯底之間的絕大部分電壓降落在耗盡區(qū)。如果隨后可以獲得少數(shù)載流子，那么耗盡區(qū)將收縮，界面勢下降，氧化層上的電壓降增加。當提供足夠的少數(shù)載流子時，就建立起新的平衡狀態(tài)，界面勢降低到材料費密能級6F的兩倍。對于摻雜為10的15次方／cm3的P型硅半導體，其費密能級為0．3eV。這時耗盡區(qū)的壓降為0．6eV，其余電壓降在氧化層上。圖2為實際測得的表面勢6s與外加柵壓的關系，此時反型層電荷為零。圖3為出現(xiàn)反型層電荷時，表面勢久與反型層電荷密

9、度的關系?？梢钥闯鏊鼈兪浅删€性關系的。根據(jù)上述MOS電容的工作原理，可以用一個簡單的液體模型去比擬電荷存貯機構(gòu)。這樣比擬后，對CCD</p><p><b>　　電荷耦合</b></p><p>　　為了理解在CCD中勢阱及電荷如何從一個位置移到另一個位置，我們觀察如圖5所示的結(jié)構(gòu)。取CCD中四個彼此靠得很近的電極來觀察，假定開始時有一些電荷存貯在偏壓為10V的第二個

10、電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有大于閾值的電壓(例如2V)。設圖5(b)為零時刻(初始時刻)，假設過ti時刻后，各電極上的電壓變?yōu)槿鐖D(b)所示，第二個電極仍保持為10V，第三個電極上的電壓由2V變?yōu)?0V。因這兩個電極靠得很緊，它們各自的對應勢阱將合并在一起，原來在第二個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有，如圖(c)所示。若此后電極上的電壓變?yōu)閳D(d)所示，第二個電極電壓由10V變?yōu)?V，第三個電極電壓仍為10V，則共有的電荷

11、將轉(zhuǎn)移到第三個電極下面的勢阱中，如圖(e)所示?？梢?，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。</p><p>　　通過將一定規(guī)則變化的電壓加到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿半導體表面按一定的方向移動。通常把CCD電極分為幾組，每一組稱為一相，并施加同樣的時鐘。CCD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了使其正常工作所需的相數(shù)。圖5所示的結(jié)構(gòu)需要三相時鐘脈沖，其波形如圖(f)所示，這樣的CCD稱為三相CCD。三相CCD器件的電荷耦合(

12、傳輸)方式必須在三相交迭脈沖的作用下才能以一定的方向逐單元的轉(zhuǎn)移。另外，這里還必須強調(diào)指出，CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。理論計算和實驗證實，為了不使間隙下方界面處出現(xiàn)妨礙電荷轉(zhuǎn)移的勢壘，間隙的長度應該小于3um。</p><p>　　(三)電荷的注入和檢測</p><p><b>　　1．電荷的注入</b></p>

13、;<p>　　在CCD中，電荷注入的方法有很多。歸結(jié)起來可分為兩類：光注入和電注入。光注入方式，當光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子一空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分為正面照射式及背面照射式。CCD攝像器件的光敏單元為光注入方式。電注入方式種類很多，下面僅介紹兩種常見的電流積分法和電壓注入法。</p><p><b&g

14、t;　　(1)電流積分法</b></p><p>　　如圖6(a)所示，由N+擴散區(qū)(稱為源擴散區(qū)，記為S)和P型襯底形成的二極管是反向偏置的，數(shù)字信號或模擬信號通過隔直電容加到S上，用以調(diào)制輸入二極管的電位，實現(xiàn)電荷注入。輸入柵IG加直流偏置，對注入電荷起控制作用，在聲：到來期間，在IG和聲，下形成階梯勢阱。當S處于正偏時，信號電荷通過輸人柵下的溝道，被注入到必：下的深勢阱中。被注入到聲2下的勢阱中

15、的電荷量吼取決于源區(qū)S的電壓Um、輸入柵IG下的電導以及注入時間T，(時鐘脈沖周期之半)。如果將N區(qū)看成MOS晶體管的源極，IG為其柵極而聲：為其漏極，當它工作在飽和區(qū)時，輸入柵IG下溝道電流為由上式可見，這種注入方式的信號電荷Q信不僅依賴于Ui、和T，，而且與輸人二極管所加偏壓的大小有關，因此，Q倌與UID的線性關系較差。另外，信號由輸入柵引人時，二極管可以處于反偏也可以處于零偏。</p><p><b&

16、gt;　　(2)電壓注入法</b></p><p>　　與電流積分法類似，也是把信號加到源擴散區(qū)S上，如圖4—56(b)所示。所不同的是輸入柵IG電極上加與聲：同位相的選通脈沖，其寬度小于壚2的脈寬。在選通脈沖的作用下，電荷被注到第一個轉(zhuǎn)移柵九下的勢阱里，直到阱的電位與N+區(qū)的電位相等時，注入電荷才停止。聲：下勢阱中的電荷向下一級轉(zhuǎn)移之前，由于選通脈沖已經(jīng)停止，輸入柵下的勢壘開始把九下和N+的勢阱分開

17、；同時，留在IG下的電荷被擠到和N、的勢阱中。由此引起的電荷起伏不僅產(chǎn)生輸入噪聲，而且使蜘與UID的線性關系變壞。這種起伏可以通過減小IG電極的面積來克服。另外，選通脈沖的截止速度減慢也會減小這種起伏。電壓注入法的電荷注入量蜘與時鐘脈沖頻率無關。</p><p>　　2．電荷的檢測(輸出方式)</p><p>　　在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD的重要特性之一是信號電

18、荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，但在輸出端則不可避免。因此，選擇適當?shù)妮敵鲭娐房梢詫r鐘脈沖容性饋人輸出的程度盡可能地減小。目前CCD的輸出方式主要有電流輸出、浮置擴散放大器輸出和浮置柵放大器輸出。下面對電流輸出方式作簡單介紹，其他輸出方法本節(jié)不再討論。圖7為電流輸出方式。由反向偏置二極管收集信號電荷來控制A點電位的變化，直流偏置的輸出柵OG用來使漏擴散和時鐘脈沖之間退耦。由于二極管Rr,反向偏置，形成一個深陷落信號電荷的勢阱

19、，轉(zhuǎn)移到廬：電極下的電荷包越過輸出柵OG，流人到深勢阱中。若二極管輸出電流為</p><p>　　電流輸出輸出電流的線性和噪聲只取決于輸出二極管和芯片外放大器的有關電容。</p><p>　　CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)，中文學名為互補金屬氧化物半導體，它本是計算機系統(tǒng)內(nèi)一種重要的芯片，保存了系統(tǒng)引導最基本的資料。CMOS傳感器

20、也可細分為被動式像素傳感器(Passive Pixel Sensor CMOS)與主動式像素傳感器(Active Pixel Sensor CMOS)</p><p>　　CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，其基本結(jié)構(gòu)由像元陣列、行選通邏輯、列選通邏輯、定時和控制電路、模擬信號處理器(ASP)等部分組成。目前的CMOS圖像傳感器已經(jīng)集成有模／數(shù)

21、轉(zhuǎn)換器(ADC)等輔助電路。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　CMOS圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)</p><p>　　CMOS圖像傳感器有兩種基本類型，即無源像素圖像傳感器(PPS)和有源像素圖像傳感器</p><p>　　PPS像元結(jié)構(gòu)簡單，沒有信號放大作用，只有單一的光電二極管(MOS或PN結(jié)二

22、極管)。其工作原理如圖9(a)所示。光電二極管將入射光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，光生電信號通過一個晶體管(開關)傳輸?shù)郊以嚵型鈬姆糯笃鳌?lt;/p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　由于PPS像元結(jié)構(gòu)簡單，所以在給定的單元尺寸下，可設計出最高的填充系數(shù)(有效光敏面積與單元面積之比)；在給定的填充系數(shù)下單元尺寸可設計得最小。但是，PPS的致命弱點是讀出噪聲

23、大，主要是固定圖形噪聲，一般有250個均方根電子。由于多路傳輸線寄生電容及讀出速率的限制，PPS難以向大型陣列發(fā)展(難超過1000元X1000元)。</p><p>　　APS像元結(jié)構(gòu)內(nèi)引入了至少一個(一般為幾個)晶體管，具有信號放大和緩沖作用，其原理圖如圖4—73(b)。在像元內(nèi)設置放大元件改善了像元結(jié)構(gòu)的噪聲性能。</p><p>　　APS像元結(jié)構(gòu)復雜，與PPS相比填充系數(shù)減小，(一

24、般為20％一30％，與IT—CCD接近)因而需要一個較大的單元尺寸。隨著CMOS技術的發(fā)展，幾何設計尺寸日益減小，填充系數(shù)不是限制APS潛在性能的因素。由于APS潛在的性能，目前主要在發(fā)展CMOS有源像素圖像傳感器。</p><p>　　CMOS圖像傳感器像元電路</p><p>　　CMOS圖像傳感器像元電路如圖8和圖10所示。CMOS圖像傳感器的光敏單元行選通邏輯和列選通邏輯可以是移位

25、寄存器，也可以是譯碼器。定時和控制電路限制信號讀出模式、設定積分時間、控制數(shù)據(jù)輸出率等。在片模擬信號處理器完成信號積分、放大、取樣和保持、相關雙取樣、雙厶取樣等功能。在片模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A／D)是在片數(shù)字成像系統(tǒng)所必需的，CMOS圖像傳感器可以使整個成像陣列有一個ADC或幾個ADC(每種顏色一個)，也可以是成像陣列每列各一個。</p><p><b>　　圖10</b></p>

26、<p>　　CMOS圖像傳感器圖像信號有3種讀出模式：(1)整個陣列逐行掃描讀出，這是一種較普通的讀出模式。(2)窗口讀出模式，僅讀出感興趣窗口內(nèi)像元的圖像信息，增加了感興趣窗口內(nèi)信號的讀出率。(3)跳躍讀出模式，每隔n個像元讀出，用降低分辨率為代價，允許圖像取樣，以增加讀出速率。跳躍讀出模式與窗口讀出模式結(jié)合，可實現(xiàn)電子全景攝像、傾斜攝像和可變焦攝像</p><p>　　2 DM6446的音視頻

27、開發(fā)板</p><p><b>　　總體概述</b></p><p>　　DM6446平臺介紹</p><p><b>　　1.產(chǎn)品簡介 </b></p><p><b>　　1.1 適用范圍 </b></p><p>　　適用于圖像處理，多媒體處理，通

28、訊系統(tǒng)，數(shù)字信號處理，嵌入式系統(tǒng)研究</p><p>　　及相關領域的大學老師，研究人員，研究生和高年級本科生研究使用。 </p><p>　　1.2 系統(tǒng)資源簡介 </p><p>　　1. DM6446 CPU BOARD </p><p>　　2. DM446 EVM BOARD </p><p>　　3

29、. 彩色攝像頭（NTSC）及配套電源 </p><p>　　4. 液晶電視及配套電源和遙控 </p><p>　　5. 資料光盤 </p><p>　　6. DAVINCI 板卡配套硬盤(40G) </p><p>　　7. 5V, 3A 電源（配板卡） </p>&l

30、t;p>　　8. 視頻線，串口線，網(wǎng)口線， </p><p>　　9. 實驗指導書 </p><p>　　1.3 硬件主要性能指標 </p><p>　　DM6446 CPU BOARD: </p><p>　　1. 設計為獨立使用方式 </p><p>　　2. CPU : DM

31、6446 (ARM9 和 C64+) ARM: 300MHZ DSP: 600MHZ </p><p>　　3. DDR: 1GB, 2GB 可選， 主推 1GB </p><p>　　4. NORFLASH: 256MB </p><p>　　5. NANDFLASH: 512MB </p><p

32、>　　6. 電源系統(tǒng)：3.3V, 1.8V, 1.2V </p><p>　　7. Tech-Davinci 總線接口槽 </p><p>　　DM6446 EVM BOARD: </p><p>　　1. 音頻： 兩路輸入，兩路輸出 </p><p>　　2. 4 路視頻輸出 </p>&l

33、t;p>　　3. 3 路視頻輸入 </p><p>　　4. CF 卡插槽，SM/XD, MICIPCI </p><p>　　5. 44 針硬盤接口槽 </p><p>　　6. 標準串口 </p><p>　　7. 標準 RJ-45 10M/100M 以太網(wǎng)接口。 </p><p>　　8

34、. 主從 USB 接口 </p><p>　　9. 8 路 LED 燈</p><p>　　1.4 產(chǎn)品介紹及原理圖片</p><p><b>　　圖11</b></p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　TMS320DM6446硬件概述<

35、/p><p>　　如圖13所示，DM6446包含以下資源</p><p><b>　　處理器核</b></p><p>　　– 300MHz ARM926EJ-S? (MPU) 內(nèi)核</p><p>　　– 600MHz TMS320C64x+? DSP 內(nèi)核</p><p><b>　

36、　存儲資源</b></p><p>　　– 片內(nèi)L1/SRAM: 112 KB DSP, 40 KB</p><p><b>　　ARM</b></p><p>　　– 片內(nèi)L2/SRAM: 64 KB圖13</p><p><b>　　外設</b></p><p

37、>　　– 視頻處理子系統(tǒng)：VPSS</p><p>　　? 視頻前段– 縮放引擎, 圖像處理引擎, </p><p>　　16-bit數(shù)字輸入</p><p>　　? 視頻后端 – 集成OSD, 4個視頻DACs, </p><p>　　24-bit數(shù)字RGB輸出</p><p><b>　　優(yōu)點/性

38、能</b></p><p>　　? DM6446的這種高集成度的SoC使得客戶可</p><p>　　以以較低的成本快速開發(fā)自己的產(chǎn)品。</p><p>　　? 視頻的編解碼能力</p><p>　　– H.264 BP D1 編/解碼</p><p>　　– MPEG-2 MP SD 解碼, MPEG

39、-4 D1 SD 解碼</p><p><b>　　以下作簡要說明</b></p><p>　　處理器（ARM+DSP）</p><p><b>　　ARM926內(nèi)核</b></p><p>　　ARM926EJ-S(ARMV5T核)，最大頻率: 300 MHz， 支持多個操作系統(tǒng): Linux,

40、WinCE等， 哈佛結(jié)構(gòu)，帶有5級流水線， 指令集包含了一個增強性的</p><p>　　16x32位的硬件乘法器， 能夠執(zhí)行單周期的MAC操作</p><p>　　C64x+ CPU 結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　圖14</b></p><p>　　? 8個功能單元：M1,L1,D1,S1,M2,L2,D2,S

41、2 at Natural 其中乘法 (.M) 和 ALU (.L)提供了最大 8 MACs/cycle (8x8 或16x16).L和.S主要是執(zhí)行一些算術，邏輯，分量的功能.D主要是從Memory中l(wèi)oad數(shù)據(jù)到寄存器文件或把結(jié)果從寄存器文件存放到Memory中</p><p>　　2個寄存器文件A和B，每個寄存器文件包含32個32位的寄存器</p><p>　　視頻處理子系統(tǒng) (VPS

42、S)</p><p><b>　　圖15</b></p><p>　　如上圖所示，視頻處理子系統(tǒng)包括：</p><p>　　視頻處理前端 – VPFE</p><p>　　? CCDC - Charge Coupled Devices Controller 電荷耦合設備控制器</p><p>

43、　　? Previewer – 預覽引擎</p><p>　　? Resizer – 縮放引擎</p><p>　　? H3A – 自動曝光，自動對焦，自動白平衡</p><p>　　視頻處理后端 – VPBE – OSD</p><p>　　硬件實現(xiàn)的On-Screen Display (OSD)</p><

44、p>　　? 2 個獨立的視頻窗口：Video Windows 0/1</p><p>　　? 2 個獨立的OSD窗口：OSD Windows 0/1</p><p>　　? 其中OSD Windows 1可配置成屬性窗口用來控制視頻窗口與OSD Windows 0的混合，即透明度</p><p>　　?

45、1 個矩形指針窗口 同時支持1 個背景窗顏色</p><p>　　視頻處理后端 – VPBE – VENC</p><p><b>　　模擬輸出:</b></p><p>　　? 4個54Mhz 10位的DACS </p><p>　　? 復合NTSC/PAL視頻（1DAC）</p><p>

46、　　? S-Video(2 DAC)</p><p>　　? 分量(YPbPr) or RGB(3 DAC)</p><p><b>　　? 數(shù)字輸出:</b></p><p>　　? Max Pixel clock rate: 75 Mhz (720p and 1080i use 74.25 Mhz)</p><

47、p>　　? 8/16 bit YUV</p><p>　　? 達到24-bit RGB</p><p>　　? BT.656 NTSC/PAL</p><p>　　VICP: 視頻/影像協(xié)處理器（包含iMX和VLCD）</p><p>　　iMX (Imaging Extension)</p><p>　

48、　? 相當于一個300MHz的Encoder</p><p><b>　　? 色域空間轉(zhuǎn)變</b></p><p><b>　　? 過濾</b></p><p><b>　　? 動態(tài)評估</b></p><p>　　VLCD*(Variable Length Codec Dec

49、oder)</p><p>　　? 相當于一個300MHz的Decoder</p><p>　　? Huffman哈弗曼編解碼</p><p><b>　　DDR2存儲控制器</b></p><p>　　DDR2 memory controller </p><p>　　? 256 Mbyt

50、e的存儲空間</p><p>　　? 16/32-bit數(shù)據(jù)總線</p><p>　　? Sequential burst length of 8</p><p>　　? 頁大小: 256, 512, 1024, 2048</p><p><b>　　DDR2 設計</b></p><p>

51、<b>　　? 信號時序</b></p><p><b>　　? 信號完整性</b></p><p>　　? U-boot在啟動時設置DDR2 控制器的參數(shù)，包括始終頻率，總線寬度</p><p>　　ARM，DSP共享的資源 圖16</p><p>&l

52、t;b>　　圖17</b></p><p>　　DMSoC交換中心資源（SCR）</p><p><b>　　圖18</b></p><p>　　TMS320DM6446 達芬奇技術軟件架構(gòu)</p><p><b>　　圖19</b></p><p><