祝慶賀+熊文卓+賀小軍

摘 要： 針對(duì)衛(wèi)星上相機(jī)成像噪音高、靈敏度低以及國(guó)外壟斷的問題，提出一種基于FPGA和國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器的空間相機(jī)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于小衛(wèi)星的空間成像。系統(tǒng)采用高分辨率的國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器作為成像元件，使用Spartan?6系列的FPGA作為主控芯片，CMOS輸出圖像信號(hào)進(jìn)入FPGA進(jìn)行緩存和排序，再通過CameraLink接口發(fā)送到上位機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能采集到2 048×1 024像素大小的圖片，圖像信噪比高于36 dB，優(yōu)于CMOS傳感器技術(shù)手冊(cè)提供的參考值31 dB，成像效果良好，能滿足小衛(wèi)星的空間成像要求。

關(guān)鍵詞： FPGA； 高分辨率； CMOS圖像傳感器； 衛(wèi)星成像

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP271 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）15?0064?04

Abstract： Since the camera imaging in satellite has high noise and low sensitivity， and is monopolized by foreign countries， a design of spatial camera imaging system based on FPGA and domestic CMOS image sensor is put forward， and applied to the space imaging of small satellites. The domestic high?resolution CMOS image sensor is taken as the imaging component of system. The FPGA of Spartan?6 series is used as the main control chip of system. The image signal output by CMOS is entered into FPGA for catching and sorting， and send to the upper computer through CameraLink interface. The experimental results show that the system can acquire the image with 2 048×1 024 pixels， its SNR （signal?to?noise ratio） is higher than 36 dB， which is better than the reference value of 31 dB provided with CMOS sensor technical manual， the imaging effect is better， and can meet the space imaging requirement of small satellites.

Keywords： FPGA； high resolution； CMOS image sensor； satellite imaging

0 引 言

基于CMOS具有成本功耗低、成像速度快等優(yōu)點(diǎn)，星載相機(jī)目前大多采用CMOS圖像傳感器作為成像元件[1]，但是也帶來了噪聲高、靈敏度低等問題，而且國(guó)外壟斷著高端CMOS器件的研發(fā)，對(duì)我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展造成了阻礙。隨著商業(yè)衛(wèi)星的不斷發(fā)展，對(duì)星載相機(jī)的性能參數(shù)要求不斷提高，這就需要解決目前星載相機(jī)的成像問題，并且積極研發(fā)和搭載國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器，打破國(guó)外壟斷，填補(bǔ)衛(wèi)星上國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器的空白，使衛(wèi)星應(yīng)用跟上國(guó)際商業(yè)市場(chǎng)的發(fā)展節(jié)奏[2]。

本文采用國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器GSENSE400作為成像元件，用FPGA處理CMOS傳感器輸出的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖像的高速采集，具有很好的信噪比和靈敏度。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為圖像采集模塊、FPGA主控制器和存儲(chǔ)器模塊三個(gè)部分，如圖1所示。

圖像采集模塊采用400萬像素、最高幀頻48 f/s的國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器GSENSE400，具有高速、低噪聲、高靈敏度以及高動(dòng)態(tài)范圍等特點(diǎn)，其內(nèi)部集成12位ADC，具有片上時(shí)序發(fā)生器，能產(chǎn)生所有需要的控制信號(hào)。GSENSE400的主輸入時(shí)鐘頻率是50 MHz，然后利用器件內(nèi)部的PLL產(chǎn)生高速時(shí)鐘。FPGA通過控制GSENSE400片上的12位編碼器ROW[11：0]控制傳感器的成像模式，利用SPI總線與GSENSE400通信，控制其圖像采集和數(shù)據(jù)傳輸。GSENSE400采集到原始格式的圖像數(shù)據(jù)，通過8對(duì)LVDS差分通道將圖像數(shù)據(jù)傳輸給FPGA，同時(shí)還提供一對(duì)LVDS差分時(shí)鐘，用于同步數(shù)據(jù)。

FPGA主控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)圖像傳感器采集圖像，通過CameraLink接口與上位機(jī)通信實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的命令控制，并將圖像發(fā)送給上位機(jī)，還驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)器緩存圖像數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的是Spartan?6系列的FPGA，它具有最高的成本優(yōu)化，高邏輯引腳比以及各種多樣化支持性I/O協(xié)議，非常適合本設(shè)計(jì)的要求。DS90CR287芯片完成圖像數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，再通過CameraLink將串行數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，圖像數(shù)據(jù)傳輸模式為Medium模式，需要兩個(gè)DS90CR287芯片和兩個(gè)CameraLink接口。FPGA與DS90LV047A，DS90LV048A的連接是為了通過SerTC，SerTFG和相機(jī)控制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)的通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)的命令控制[3]。

存儲(chǔ)器模塊用于緩存圖像處理數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)FPGA硬件電路和片上系統(tǒng)之間的通信，對(duì)于存儲(chǔ)器上的兩塊區(qū)域，F(xiàn)PGA硬件電路乒乓寫一級(jí)運(yùn)算結(jié)果，片上系統(tǒng)乒乓讀，然后進(jìn)行算法處理。Spartan?6系列FPGA具有專用的多端口存儲(chǔ)控制器MCB，可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)DDR，DDR2，DDR3等存儲(chǔ)器的時(shí)序控制[4]。為了保證計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)選用DDR3存儲(chǔ)器，選擇MT41J64M16芯片，其總?cè)萘窟_(dá)到1 Gb，能夠滿足系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的要求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘模塊

時(shí)鐘模塊管理FPGA內(nèi)部所有時(shí)序電路的時(shí)鐘，該模塊采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫，經(jīng)過ISE14.4綜合生成的寄存器轉(zhuǎn)換級(jí)電路（Register Transport Level，RTL）原理圖如圖2所示。

其輸入由50 MHz的有源晶振和GSENSE400輸出的像素時(shí)鐘clk_pixel提供，輸出LVDS接收時(shí)鐘和時(shí)序生成模塊的時(shí)鐘clk_rxg/clk_rxio、圖像發(fā)送模塊時(shí)鐘clk_txg/clk_txio、GSENSE400的主時(shí)鐘clk_main和系統(tǒng)時(shí)鐘clk_sys等，同時(shí)提供圖像接收和發(fā)送模塊的復(fù)位信號(hào)rst_rx_n/rst_tx_n以及系統(tǒng)內(nèi)部復(fù)位信號(hào)rst_sys_n。

主時(shí)鐘頻率和FPGA內(nèi)部PLL和DCM設(shè)置決定了GSENSE400工作的幀頻。FPGA內(nèi)部的工作時(shí)鐘頻率為clk_pixel，該時(shí)鐘決定了FPGA內(nèi)部圖像接收模塊和時(shí)序模塊的工作頻率。時(shí)鐘模塊仿真波形如圖3所示。

2.2 串行通信模塊

串行通信模塊包含F(xiàn)PGA 內(nèi)部所有的串行通信模塊，它通過CameraLink接口與上位機(jī)通信，接收上位機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。該模塊包括上下位機(jī)控制接口、GSENSE400的時(shí)序模塊和五線SPI模塊。

上下位機(jī)控制接口主要實(shí)現(xiàn)FPGA與采集卡之間的通信。CameraLink協(xié)議中存在一個(gè)雙向的LVDS串行接口SerTC/SerTFG，用來實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)的通信，其協(xié)議符合422標(biāo)準(zhǔn)，在上位機(jī)至FPGA的下行鏈路中，F(xiàn)PGA程序?qū)崿F(xiàn)了去毛刺、波特率計(jì)算、串行數(shù)據(jù)接收等工作；在上行鏈路中采用FIFO作為數(shù)據(jù)緩存，根據(jù)下行鏈路計(jì)算出的波特率進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換。

時(shí)序模塊提供GSENSE400工作所需要的時(shí)序，由上位機(jī)將生成的數(shù)據(jù)寫入至FPGA片上BRAM，時(shí)序模塊通過外部控制命令讀取BRAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。

SPI模塊實(shí)現(xiàn)了一個(gè)五線的SPI接口，控制FPGA對(duì)GSENSE400的寄存器進(jìn)行讀寫。SPI模塊的時(shí)序如圖4所示。

SPI_IN的第一個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該至少在SYS_RST_N拉高2 μs后發(fā)出，SPI_IN中的數(shù)據(jù)在SPI_CLK的每個(gè)上升沿循序加載。在SPI_CLK的第256個(gè)下降沿時(shí)，SPI_WRITE拉高，表明SPI的寫操作完成。寫到SPI寄存器的數(shù)據(jù)也是按照同樣的協(xié)議被讀出，在SPI_CLK的下降沿，SPI_READ被拉高，然后在SPI_CLK的每個(gè)上升沿讀出SPI寄存器的數(shù)據(jù)。

2.3 傳感器控制模塊

傳感器控制模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)傳感器的狀態(tài)控制，主要包括復(fù)位、training以及圖像采集，其RTL原理圖如圖5所示。該模塊的輸入信號(hào)有時(shí)鐘信號(hào)clk_rxg、復(fù)位信號(hào)rst_rx_n、相機(jī)控制寄存器reg_camera_control、測(cè)試圖片使能信號(hào)reg_test_image_enable和training完成信號(hào)training_done，輸出信號(hào)有開始training命令信號(hào)cmd_start_training、產(chǎn)生測(cè)試圖片命令信號(hào)cmd_gen_test_image、傳感器復(fù)位信號(hào)sensor_reset_n和幀請(qǐng)求信號(hào)frame_req。

相機(jī)控制寄存器reg_camera_control是8位寄存器，通過對(duì)該寄存器操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的狀態(tài)控制。具體位操作及命令控制見表1。

2.4 圖像接收和發(fā)送模塊

圖像接收模塊主要實(shí)現(xiàn)8對(duì)LVDS的串并轉(zhuǎn)換、training以及CameraLink所需的FVAL，LVAL信號(hào)。該模塊利用Spartan?6中的iserdes硬核實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換。

為了同步GSENSE400的LVDS數(shù)據(jù)對(duì)，可以通過控制SPI寄存器中的train_en來開啟training模式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練對(duì)齊，該模式以與時(shí)鐘沿具有最小延時(shí)的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)，將所有數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)行位對(duì)齊、字對(duì)齊和通道對(duì)齊。位對(duì)齊利用Spartan?6中的iodelay模塊，使采樣時(shí)鐘的上升沿處于穩(wěn)定數(shù)據(jù)的中間位置；字對(duì)齊通過FPGA判斷接收通道是否是預(yù)先寫入GSENSE400中的training pattern來實(shí)現(xiàn)，通過bitslip信號(hào)控制；由于各個(gè)通道的數(shù)據(jù)到達(dá)FPGA端的時(shí)間不一定在同一時(shí)鐘周期內(nèi)，因此要采用通道校正的方式防止數(shù)據(jù)丟失，通道校正的核心思想是將所有通道的數(shù)據(jù)均通過shifter進(jìn)行移位，以滿足在同一時(shí)刻同時(shí)讀出對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

圖像接收模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，硬件電路設(shè)計(jì)使用DS90CR287進(jìn)行數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，故只需對(duì)FPGA輸出的并行數(shù)據(jù)按照DS90CR287的管腳關(guān)系進(jìn)行映射，即可通過CameraLink接口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng)框圖搭建成像系統(tǒng)，成像系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

在對(duì)本系統(tǒng)的硬件和軟件模塊調(diào)試成功后，對(duì)系統(tǒng)的成像功能進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的成像質(zhì)量。使用本系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)靶標(biāo)進(jìn)行成像，成像結(jié)果如圖7所示。

該圖像大小為2 048×1 024像素，選擇圖像均勻區(qū)域，信噪比計(jì)算公式如下：

式中：和代表信號(hào)與噪聲功率譜，但通常功率譜難以計(jì)算，所以用圖像的灰度均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別近似信號(hào)與噪聲功率譜[5]，再按照式（1）計(jì)算圖像的信噪比，計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，該圖像信噪比在36 dB以上，優(yōu)于GSENSE400技術(shù)手冊(cè)提供的參考值31 dB，可知系統(tǒng)成像質(zhì)量較好，信噪比高，能夠滿足空間相機(jī)成像要求。

4 結(jié) 論

本文論述了基于FPGA的星載成像系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其硬件構(gòu)成及Verilog HDL程序的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)2 048×1 024像素大小圖片的采集，信噪比高，上位機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的命令控制，能夠控制系統(tǒng)采集圖像和發(fā)送圖像至上位機(jī)。

該系統(tǒng)采用國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器，該傳感器還能用作衛(wèi)星敏感器，有助于打破國(guó)外對(duì)CMOS圖像傳感器在衛(wèi)星應(yīng)用的壟斷，對(duì)國(guó)產(chǎn)CMOS圖像傳感器在衛(wèi)星上的應(yīng)用和國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星相機(jī)的研發(fā)有極大的推動(dòng)作用，在衛(wèi)星上具有良好的發(fā)展前景。

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