CN110035244A

CN110035244A - 多通道低频cmos串行图像数据的训练方法

Info

Publication number: CN110035244A
Application number: CN201910317652.0A
Authority: CN
Inventors: 余达; 刘金国; 郭永飞; 司国良; 张艳鹏; 朱立禄; 姜楠
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2019-04-19
Filing date: 2019-04-19
Publication date: 2019-07-19
Anticipated expiration: 2039-04-19
Also published as: CN110035244B

Abstract

多通道低频CMOS串行图像数据的训练方法，涉及一种多通道低频CMOS串行图像数据的训练方法，低频晶振产生的时钟经时钟分路器后，分频产生频率为f_inter的CMOS串行时钟和频率为f_iodelay的参考时钟送入成像控制器内。成像控制器将频率为f_inter的CMOS串行时钟送入多通道CMOS探测器内，多通道CMOS探测器输出的多通道数据送入成像控制器进行串并转换。图2为成像控制器内部单通道低频CMOS串行图像数据的处理流程图，串行数据在频率为2f_inter/n的低频时钟控制下，经过参考频率为f_iodelay的Iodelay进行精细的相位延时，然后采用频率为f_inter/2的DDR时钟基于Iserdes进行串并转换，最终输出n bit的并行数据。本发明根据五种采样不稳定位置的分布情况分别处理，从而获得尽可能宽的数据稳定采样时序裕量，保证***稳定可靠工作。

Description

多通道低频CMOS串行图像数据的训练方法

技术领域

本发明是一种多通道低频CMOS串行图像数据的训练方法，具体涉及一种基于航天应用的多通道低频CMOS串行图像数据的训练方法。

背景技术

通常CMOS图像传感器输出的串行图像数据时钟频率高于IODELAY的参考时钟频率，在进行位校正过程中串行数据的采样位置遍历整个时钟周期；但在某些高轨道低分辨率对地观测应用中，串行图像数据时钟频率低于IODELAY的参考时钟频率，可调节的采样范围低于数据时钟周期，按照常规的串行数据训练方法存在仅能检测到一个数据不稳定区域甚至检测不到数据不稳定区域。若使用多个DCM来改变采样时钟的相位，采样位置可遍历整个数据时钟周期，但存在单片FPGA内DCM数量有限，使用多片FPGA会导致功耗、体积增大的问题。若仅根据窄采样范围内获得的采样信息来确定最佳数据采样位置，直接盲目扩大采样区域导致采样出现亚稳态的问题。

发明内容

本发明为解决现有串行数据训练方法存在仅能检测到一个数据跳变区域甚至检测不到数据跳变区域，且根据窄采样范围内获得的采样信息来确定最佳数据采样位置，存在采样裕量小或盲目扩大采样区域导致采样出现亚稳态等问题，提供一种多通道低频CMOS串行图像数据的训练***。

多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，包括成像控制器、时钟分路器和低频晶振；低频晶振产生的时钟经时钟分路器后，分频产生频率为f_inter的CMOS串行时钟和参考频率为f_iodelay的参考时钟并送入成像控制器，所述成像控制器将频率为f_inter的CMOS串行时钟送入多通道CMOS探测器，多通道CMOS探测器输出的多通道数据送入成像控制器进行串并转换；所述训练***在上电后进行所有通道数据训练，待多通道CMOS探测器的温度达到热平衡后，再训练一次，最后输出感光图像；

串行数据在频率为2f_inter/n的低频时钟控制下，经过参考频率为f_iodelay的Iodelay元件进行相位延时，并采用频率为f_inter/2的DDR时钟基于Iserdes进行串并转换，最终输出nbit的并行数据；

位校正的实现方式具体为：

设定Iodelay元件的最小延迟为Delaystart，所述最小延迟Delay start值为0，Iodelay元件的最大延迟为Delay end，所述最大延迟Delay end值为tap_max，最终采样点为eye middle，第一个有效采样眼为eye start，第二个有效采样眼为eye end；针对下述五种情况采用不同的处理方式；

一、延迟过程中未检测到数据采样不稳定位置Dataunstable，则最终采样点eyemiddle在Iodelay元件最大延迟值tap_max的中点，Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到最大延迟值tap_max递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝tap_max/2

二、延迟过程中检测到一个小于中心延迟值数据采样不稳定位置Data unstable，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最大延迟值tap_max的中点；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到最大延迟值tap_max递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

三、延迟过程中检测到一个大于中心延迟值数据采样不稳定位置Data unstable，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最小延迟值0的中点；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到第一个采样眼的值tap_{eye start}递增，然后从第一个采样眼的值tap_{eye start}到0递减；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝tap_{eye start}/2

四、延迟过程中检测到多于一个数据采样不稳定位置Dataunstable，即，第一个有效采样眼值小于Iodelay元件中心延迟值，在延迟结束时未检测到采样不稳定位置，则最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最大延迟值tap_max的中点；Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到最大延迟值tap_max递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

五、延迟过程中检测到多于一个数据采样不稳定位置Dataunstable，即，第一个有效采样眼值小于Iodelay元件中心延迟值，在延迟结束前已检测到采样不稳定位置，则最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和第二次出现采样不稳定位置的中点；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到第二个有效采样眼的值tap_{eye end}递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_{eye end})/2。

本发明的有益效果：

1、不需要基于DCM进行低频串行图像数据的训练，使用单片FPGA即可，可大大缩小***的体积、功耗；

2、不需要提高串行图像数据的时钟频率，从而降低探测器的工作频率，不仅可以降低探测器的功耗，减小对光机部分的影响，而且可增加探测器与后级处理电路的距离，进一步降低对光机部分的影响；

3、通过上电过程的两次训练，可避免由于CMOS探测器自身温度变化导致的输出数据相位变化引起的采样不稳定。

4、通过各种不同采样状态的分别处理，可以最大限度提高稳定采样眼的宽度，同时避免盲目扩大采样区域导致采样出现亚稳态的问题。

附图说明

图1为本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***结构图；

图2为本发明所述的成像控制器内部单通道低频CMOS串行图像数据的处理流程图；

图3为本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中状态机的原理图；

图4本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中延迟过程中第一种情况时，数据采样不稳定位置的示意图；

图5本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中延迟过程中第二种情况时，数据采样不稳定位置的示意图；

图6本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中延迟过程中第三种情况时，数据采样不稳定位置的示意图；

图7本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中延迟过程中第四种情况时，数据采样不稳定位置的示意图；

图8本发明所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***中延迟过程中第五种情况时，数据采样不稳定位置的示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，多通道低频CMOS串行图像数据的训练***。多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，低频晶振产生的时钟经时钟分路器后，分频产生频率为f_inter的CMOS串行时钟和频率为f_iodelay的参考时钟送入成像控制器内。成像控制器将频率为f_inter的CMOS串行时钟送入多通道CMOS探测器内，多通道CMOS探测器输出的多通道数据送入成像控制器进行串并转换。图2为成像控制器内部单通道低频CMOS串行图像数据的处理流程图，串行数据在频率为2f_inter/n的低频时钟控制下，经过参考频率为f_iodelay的Iodelay进行精细的相位延时，然后采用频率为f_inter/2的DDR时钟基于Iserdes进行串并转换，最终输出nbit的并行数据。

位校正的实现方式具体为：

设定Iodelay元件的最小延迟为Delaystart，所述最小延迟Delay start值为0，Iodelay元件的最大延迟为Delay end，所述最大延迟Delay end值为tap_max，最终采样点为eye middle，第一个有效采样眼为eye start，第二个有效采样眼为eye end；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection一种是递增，在图中箭头为从左到右，一种是递减，在图中箭头为从右到左。针对下述五种情况采用不同的处理方式；

一、延迟过程中未检测到数据采样不稳定位置Dataunstable，则最终采样点eyemiddle在Iodelay元件最大延迟数值tap_max的中点，Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到tap_max递增；则：

tap_{eye middle}＝tap_max/2

二、延迟过程中检测到一个小于中心延迟值数据采样不稳定位置Data unstable，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最大延迟数值tap_max的中点；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到tap_max递增；则：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

三、延迟过程中检测到一个大于中心延迟值数据采样不稳定位置Data unstable，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最小延迟值0的中点；Iodelay元件的延迟方向Delaydirection为从0到第一个采样眼的值tap_{eye start}递增，然后从第一个采样眼的值tap_{eye start}到0递减；则：

tap_{eye middle}＝tap_{eye start}/2

四、延迟过程中检测到多于一个数据采样不稳定位置Dataunstable，即，第一个有效采样眼位置的值小于Iodelay元件中心延迟值，在延迟结束时未检测到采样不稳定位置，则最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay元件最大延迟值tap_max的中点；Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到tap_max递增；则：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

五、延迟过程中检测到多于一个数据采样不稳定位置Dataunstable，即，首个有效采样眼位置的值小于Iodelay元件中心延迟值，在延迟结束前已检测到采样不稳定位置，则最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和第二次出现采样不稳定位置(值等于eye end)的中点；Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到第二个有效采样眼位置的值tap_{eye end}递增；则：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_{eye end})/2。

本实施方式中，根据CMOS探测器在工作过程中的发热会导致输出的串行数据相对相位发生变化的特点，为保证CMOS探测器稳定可靠地工作，设计的训练步骤是：在上电进行所有通道数据训练待探测器的温度达到热平衡后，再训练一次，最后才开始正常工作；在正常工作前通过检测训练状态决定是否再发训练命令。如图3所示，设计的训练状态机包含三个状态：训练空闲状态、训练启动状态和训练结束判断状态。在上电时从默认的训练空闲状态进入训练启动状态，然后进入训练结束判断状态；在训练结束判断状态检测到所有的训练通道训练完毕，训练总次数为1时再次进入训练启动状态；而在训练结束判断状态检测到所有的训练通道训练完毕，训练总次数大于1时，进行训练空闲状态；在训练空闲状态若接收到训练命令，也进入训练启动状态。

本实施方式中，位校正的实现方式为：

Delaystart为Iodelay元件延迟的最小tap数0，Delay start为Iodelay元件延迟的最大tap数tap_max。tap_max的值，根据不同的器件类型而不同，通常在32与256之间。最终采样点为eye middle，第一个有效采样眼为eye start，第二个有效采样眼为eye end。针对以下五种情况采用不同的处理措施。

(1)延迟过程中未检测到数据采样不稳定位置，最终采样点eye middle在Iodelay最大延迟数的中心。Iodelay的延迟方向为从0到tap_max递增。

tap_{eye middle}＝tap_max/2

(2)延迟过程中检测到1个小于中心延迟值数据采样不稳定位置，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay最大延迟数最大值tap_max的中点。Iodelay的延迟方向为从0到tap_max递增。

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

(3)延迟过程中检测到1个大于中心延迟值数据采样不稳定位置，最终采样点eyemiddle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay延迟最小值0的中点。Iodelay的延迟方向为从0到tap_{eye start}递增，然后从tap_{eye start}到0递减。Iodelay的延迟方向为从0到tap_max递增。

tap_{eye middle}＝tap_{eye start}/2

(4)延迟过程中检测到多于1个数据采样不稳定位置(首个有效采样眼位置小于Iodelay中心延迟值,在延迟结束时未检测到采样不稳定位置)，最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和Iodelay延迟最大值tap_max的中点。Iodelay的延迟方向为从0到tap_max递增。

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

(5)延迟过程中检测到多于1个数据采样不稳定位置(首个有效采样眼位置的值小于Iodelay中心延迟值，在延迟结束前还检测到采用不稳定位置)，最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和第二次出现采样不稳定位置(值等于eye end)的中点。Iodelay的延迟方向为从0到tap_{eye end}递增。

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_{eye end})/2

本实施方式中，位校正结束的标志可为下列任意一种情况：

(1)Iodelay延迟2倍最大tap数tap_max还是没有检测到不稳定采样点；

(2)检测到首个有效采样眼后，检测到第2个不稳定采样点；

(3)检测到首个有效采样眼后，Iodelay延迟值递增过程中，延迟已经达到最大值tap_max；

(4)检测到首个有效采样眼后，Iodelay延迟值递减过程中，延迟已经达到最小值0；

本实施方式中，有效采样眼是否有效的判断标准为：当前位置向前或者向后存在长度不低于i的稳定采样区，即，Iodelay元件延迟值从第一个有效采样眼的值tap_{eye start}递减到当前位置向前的Iodelay元件延迟值tap_{eye start-i}或从第一个有效采样眼的值tap_{eye start}递增到当前位置向后的Iodelay元件延迟值tap_{eye start+i}采集到的串行数据均是稳定的。

本实施方式中，低频晶振采用武汉海创公司的产品；时钟分路器采用TI公司的CDCM7005；成像控制器采用Virtex 5系列FPGA；CMOS图像传感器采用长光辰芯公司的TDICMOS图像传感器。

Claims

1.多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，包括成像控制器、时钟分路器和低频晶振；低频晶振产生的时钟经时钟分路器后，分频产生频率为f_inter的CMOS串行时钟和参考频率为f_iodelay的参考时钟并送入成像控制器，所述成像控制器将频率为f_inter的CMOS串行时钟送入多通道CMOS探测器，多通道CMOS探测器输出的多通道数据送入成像控制器进行串并转换；其特征是：所述训练***在上电后进行所有通道数据训练，待多通道CMOS探测器的温度达到热平衡后，再训练一次，最后输出感光图像；

位校正的实现方式具体为：

设定Iodelay元件的最小延迟为Delay start，所述最小延迟Delay start值为0，Iodelay元件的最大延迟为Delay end，所述最大延迟Delay end值为tap_max，最终采样点为eye middle，第一个有效采样眼为eye start，第二个有效采样眼为eye end；针对下述五种情况采用不同的处理方式；

一、延迟过程中未检测到数据采样不稳定位置Data unstable，则最终采样点eyemiddle在Iodelay元件最大延迟值tap_max的中点，Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到最大延迟值tap_max递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝tap_max/2

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

tap_{eye middle}＝tap_{eye start}/2

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_max)/2

五、延迟过程中检测到多于一个数据采样不稳定位置Data unstable，即，第一个有效采样眼值小于Iodelay元件中心延迟值，在延迟结束前已检测到采样不稳定位置，则最终采样点eye middle在第一个有效采样眼eye start和第二次出现采样不稳定位置的中点；Iodelay元件的延迟方向Delay direction为从0到第二个有效采样眼的值tap_{eye end}递增；则最终采样眼的值为：

tap_{eye middle}＝(tap_{eye start}+tap_{eye end})/2。

2.根据权利要求1所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，其特征在于：延迟过程中，当出现下列四种情况中的任意一种时，位校正结束；

一、Iodelay元件延迟2倍最大tap数tap_max还是没有检测到不稳定采样点；

二、检测到首个有效采样眼后，检测到第2个不稳定采样点；

三、检测到第一个有效采样眼后，Iodelay元件延迟值递增过程中，延迟已经达到最大值tap_max；

三、检测到第一个有效采样眼后，Iodelay元件延迟值递减过程中，延迟已经达到最小值0。

3.根据权利要求1所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，其特征在于：延迟过程中，有效采样眼是否有效的判断标准为：

当前位置向前或者向后存在长度不低于i的稳定采样区，即，Iodelay元件延迟值从第一个有效采样眼的值tap_{eye start}递减到当前位置向前的Iodelay元件延迟值tap_{eye start-i}或从第一个有效采样眼的值tap_{eye start}递增到当前位置向后的Iodelay元件延迟值tap_{eye start+i}采集到的串行数据均是稳定的，则为有效采样眼；

i为大于6小于最大延迟值tap_max的自然数。

4.根据权利要求1所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，其特征在于：所述tap_max的值，根据不同的器件类型通常在32与256之间。

5.根据权利要求1所述的多通道低频CMOS串行图像数据的训练***，其特征在于：训练状态机包含三个状态：训练空闲状态、训练启动状态和训练结束判断状态；***在上电时从默认的训练空闲状态进入训练启动状态，然后进入训练结束判断状态；在训练结束判断状态检测到所有的训练通道训练完毕，训练总次数为1时再次进入训练启动状态；而在训练结束判断状态检测到所有的训练通道训练完毕，训练总次数大于1时，进行训练空闲状态；在训练空闲状态若接收到训练命令，也进入训练启动状态。