安防用CMOS图像传感器片上数字系统设计与实现

摘要

今天，CMOS工艺日趋成熟，除了光敏元，时序处理电路和图像信号的前端放大与数字化部分以及图像处理模块被集成于一个芯片内。另外以其低廉的价格、较好的图像质量和相对较少的功耗，CMOS图像传感器在视频监控系统中的应用越来越广泛。而CMOS图像传感器的片上数字控制系统是保证传感器正常工作的重要的组成部分，它控制着图像传感器各个功能模块的运行，负责用户与传感器之间进行数据通讯；片上图像信号处理器(Image Signal Processor, ISP)是片上数字系统中的核心，对光学传感器采集下来的信号进行处理，如校正，插值和降噪等。本文针对安防用CMOS图像传感器，设计了专门的片上数字系统。
　　首先论文详细分析了安防用720X480 CMOS图像传感器阵列和各功能模块的结构。该芯片采用4T像素结构，逐行积分，支持PAL/NTSC输出，支持IIC总线通信。课题根据各控制信号之间的时序关系，完成了模块划分。主要研究了自动曝光算法和滚动快门的时序设计，列并行ADC控制时序设计，IIC总线模块的设计。接着论文研究了片上ISP系统各模块的设计和输出数据格式，包括黑电平消隐，自动白平衡，镜头阴影校正，像素插值与降噪，色彩校正，伽玛校正，自动对焦，RGB2YUV这9个部分。最后介绍了整个片上数字系统的物理实现流程和仿真测试结果，包括布局布线、物理验证、代码覆盖率测试、VCS仿真测试等。
　　最后本课题研制的片上数字系统电路随CIS芯片在0.35um工艺线上进行流片。经过芯片整体测试，已知片上数字系统各模块工作正常：其中自动曝光模块可实现曝光精度1μs,最长曝光时间20ms；电视制式PAL输出成像正常；IIC总线实现了主模式下的读写功能；输出数据Bayer,YcbCr格式正常。ISP图像处理效果良好：黑电平消隐，自动白平衡，镜头阴影校正，像素插值与降噪，色彩校正，伽玛校正，RGB2YUV等模块工作正常。总之，芯片整体成像效果良好。

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第一章 绪 论

1.1 CMOS图像传感器的发展和应用

1.2 安防用CMOS图像传感器的发展现状

1.3课题背景和本文主要工作

1.4 本论文的结构安排

第二章 安防用CMOS图像传感器片上系统控制电路设计

2.1 安防用CMOS图像传感器整体架构设计

2.2 片上控制电路概述

2.3自动曝光及时序控制模块

2.4 I2C接口模块设计

2.5 本章小结

第三章 安防用CMOS图像传感器片上图像处理电路设计

3.1 图像处理电路（ISP）顶层架构设计

3.2 ISP关键模块算法设计

3.3数据输出模块设计

3.4 本章小结

第四章 片上数字电路的物理实现和仿真测试

4.1 数字电路的物理实现

4.2 仿真及测试

4.3 流片及芯片成像测试

4.4 本章小结

第五章 结 论

5.1 本文的主要贡献

5.2 下一步工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果