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《中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)》 2010年
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CMOS一体化相机关键技术研究

余辉龙  
【摘要】: 目前光电测量设备,基本都是由光学成像、图像传输和存储器等分立的部分搭建而成,这样的系统体积大、重量沉,其可靠性也受到较大影响,因此考虑将光学成像、数据存储和传输作为一个整体来研制,增加了系统的灵活性,便于系统的规划与管理。本论文的重点是研制一款集成像、存储和传输于一体的高性能一体化相机,具有高帧频、大容量、低误码率的特点,能够根据任务的需要进行任务管理。 在CMOS图像传感器成像分系统中,分析了Cypress公司的CMOS图像传感器LUPA-300的性能和技术特点,研制了基于LUPA-300的CMOS成像分系统,并采用了基于两点法的实时校正算法,解决了传感器的模式噪声问题。实验证明成像单元在开窗模式下能够实现分辨率为128×128时,帧频达到4310.34fps,满分辨率为640×480时,帧频达到253.94fps。 图像记录分系统包含数据存储和传输,针对单片闪存存储速度低,容量小,且存在无效块的问题,提出了高速大容量图像存储的可靠性存储方案。通过分析闪存的组织结构和特征,并区分闪存写入无效块和非写入无效块,提出了基于CAM的数据分类匹配检测机制,提高了无效块信息匹配速度。提出了基于双总线结构的SRAM阵列冗余备份和双流水线机制,采用SRAM阵列备份数据,保证写入闪存数据的正确性,采用双流水线机制,当多个流水线级出现写入无效块时,不中断流水线,保证存储器写入速度。针对一体化相机在开窗工作时,系统会有不同的的分辨率,通过FPGA设计了参数化的RS编译码策略,然后针对双总线双流水线的架构,给出了完整的具有RS编译码的记录系统存储和传输方案。从而解决了闪存存在无效块和数据翻转时时,系统的高速可靠存储问题,提高了系统的可靠性。 在一体化相机系统中,在双总线SRAM阵列架构的基础上,提出了单模式和复合工作模式,如同时读写工作模式和同时擦写工作模式,根据记录系统对数据完整性不同程度的要求提出了极速工作模式和非极速工作模式,增加了系统的灵活性。提出了任务文件索引信息独立于闪存的策略,将索引信息存储在非易失器件FRAM中,通过DSP对其内容进行管理。为保证一体化相机的可靠性,提出了拍摄过程事后更新,删除过程事前更新的策略,以保证突然断电时不影响其它文件。采用对整个存储系统分区的方式来实现对有效块的管理,为每个区簇建立使用情况变量,实现有效块簇的均衡管理,从而延长相机的使用寿命。通过系统各次操作的优先级关系和总线仲裁阈值的策略来防止总线冲突。研究了相机系统与主控之间的协议,相机系统内部各分系统之间的协议,为FRAM的存储内容进行了相应的规划,并对一体化相机在各种操作模式下的任务给出了管理的策略。 该CMOS一体化相机存储容量为254.7GB,分辨率为640×480时,帧频达到253.94fps,此时最大页纠错能力为72字节,在极速工作模式下,其速度均超过400MBps,其拍摄速度在非极速模式下超过100MBps,系统功耗不超过10W。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TN386.1

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