Теория и принципы построения
датчиков, приборов и систем
УДК 621.383.72
ПРИМЕНЕНИЕ ПЗС-ФОТОПРИЕМНИКОВ
ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ
С. А. Молодяков
Рассмотрены вопросы применения ПЗС-фотоприемников для предварительной обработки оптических сигналов в оптоэлектронных системах. ПЗС-фотоприемники анализируются в качестве сигнального процессора. Описаны элементный базис, алгоритмы предварительной обработки, вопросы синтеза и управления фотоприемником. Предложены граф продвижения зарядовых пакетов, схема трех-регистрового ПЗС-фотоприемника, модель управления, связанная с использованием метода микропрограммирования операций.
Ключевые слова: фотоприемник на приборе с зарядовой связью, ПЗС-элемент, сигнальный процессор, контроллер, микропрограммирование, оптоэлектронная система.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из направлений создания высокопроизводительных систем обработки сигналов является использование оптических вычислителей, которые обеспечивают эквивалентную производительность до 10 -1022 оп/сек [1]. Такие системы или процессоры являются оптоэлектрон-ными (ОЭ), так как при вводе и выводе данных в оптические вычислители применены электронные элементы [2]. Наиболее эффективно ОЭ-процессоры используются для обработки сложных сигналов на этапе предварительной обработки [3, 4]. Типичным примером может служить ОЭ-процессор импульсов радиоизлучения нейтронных звезд — пульсаров, который обеспечивает спектральный анализ сигналов (1000 каналов) за доли микросекунд с последующей специальной обработкой
[5]. Быстродействие 2Э ОЭ-про-цессора для указанной задачи составляет более 1011 операций с плавающей точкой в секунду.
ОЭ-процессоры можно рассматривать как конвейерные процессоры, состоящие минимум из трех узлов: оптического и цифрового вычислителей и фотоприемника (ФП) [2, 6]. ФП обеспечивает преобразование параллельного представления информации в последовательное. По конвейеру продвигаются векторы (кадры) данных, число элементов в которых задается разрешением в первую очередь оптического узла. Максимальную частоту продвижения данных по конвейеру определяет самое медленное устройство — фотоприемник.
Проблема повышения частоты конвейера продвижения данных в ОЭ-процессоре может решаться двумя путями: примене-
нием ФП с несколькими выходами и использованием предварительной обработки данных в ФП. Известны линейные и матричные ФП с несколькими выходами [2, 7, 8]. Так, быстродействующий матричный ФП CCD 595 (9216x9216) фирмы Fairchild имеет до 8 выходов и позволяет выводить отсчеты с общей частотой до 200 МГц [8]. Однако в ряде задач, в том числе представленных ранее [3—5], решение использовать несколько выходов ФП или затруднено из-за существенного роста требований к быстродействию и объему цифровой части системы, или не приводит к решению задачи. Так, для пульсарного 2D ОЭ-процессора [4] необходимо регистрировать и обрабатывать поток кадров с частотами не менее 1 МГц, что на несколько порядков выше, чем позволяют известные ФП. Поэтому вызыва-
ют существенный интерес результаты исследований и реализации возможностей сжатия и предварительной обработки данных в фотоприемниках.
Можно выделить несколько типов фотоприемников, позволяющих обрабатывать сигналы [7]. Во-первых, это фотоприемники на приборах с зарядовой связью (ПЗС-фотоприемники или ФПЗС), позволяющие осуществлять обработку сигналов в аналоговом виде (обрабатываются зарядовые пакеты). Во-вторых, — КМОП-фотоприемники, включающие сенсорное поле, набор АЦП и цифровую логику. Такие ФП выполняют обработку сигналов цифровым образом подобно осуществляемой в цифровых программируемых интегральных схемах (ПЛИС), но при этом возможности по применению параллельной обработки существенно больше, чем при использовании отдельного кристалла ПЛИС. КМОП-фотопри-емники являются практически гибридными процессорами или интеллектуальными датчиками (smart image sensors) [9] и находят широкое применение в цифровых камерах [10]. В-третьих, это КМОП-фотоприемники с «умными» элементами (smart pixels), включающими АЦП и цифровую логику, расположенными в каждом элементе матрицы [11]. И, в-четвертых, — специальные ФП, выполняющие определенный алгоритм работы, например операции временной задержки и накопления (ВЗН) [7].
В данной работе рассматриваются ПЗС-фотоприемники. Они отличаются от КМОП-фо-топриемников тем, что более открыты для управления. Для большинства ФПЗС-микросхем
сигналы управления ПЗС-струк-турами выведены на контакты микросхем. В результате ПЗС-фотоприемники доступны для использования с целью обработки сигналов различными алгоритмами, которые легко перестраивать. ПЗС-фотоприемни-ки могут выполнять частично другой набор операций, чем КМОП-фотоприемники, и чаще всего с большим быстродействием. ПЗС-фотоприемни-ки в сравнении с КМОП-фото-приемниками имеют более высокие динамический диапазон и коэффициент заполняемости сенсорного поля (Fill Factor). Существенным недостатком современных КМОП-фотоприем-ников является то, что они представляют собой заказные микросхемы (CSIC) и не позволяют перепрограммировать алгоритм обработки, зашитый в цифровой части ФП.
КМОП-фотоприемники с «умными» элементами можно рассматривать как векторные процессоры класса SIMD [12]. Они позволяют выполнять ряд алгоритмов обработки оптических сигналов в ФП. Однако такие ФП в настоящее время находятся на стадии исследований и разработок. Следует заметить, что современные ФП могут объединять в рамках одного кристалла КМОП- и ПЗС-структу-ры, что расширяет набор операций, проводимых в фотоприемнике [13, 14].
Одно из первых применений ФПЗС в ОЭ-процессоре в качестве процессора обработки сигналов было описано в патенте [15]. ФПЗС-матрица работала в режиме ВЗН-накопления, за счет чего позволяла проводить операцию свертки входного изображения с изображением на транс-
паранте, который расположен перед матрицей. Аналогичный алгоритм работы ФПЗС использовался автором в гибридной ОЭ-микросхеме [16].
При разработке ФПЗС-про-цессоров, выполняющих требуемые алгоритмы обработки, необходимо использовать средства проектирования, которые существенно отличаются от известного аппарата структурного автоматизированного проектирования [17]. Особенностями проектирования ФПЗС-процес-сора являются следующие: не определен полный набор требований к функциям ФПЗС-про-цессора и его элементам, постоянно появляются новые структурные ПЗС-элементы, программирование ФПЗС-процессора связано с использованием внешнего устройства, алгоритмы обработки зависят от вида входных сигналов и др. Поэтому является актуальным рассмотрение как общих вопросов методологии проектирования ФПЗС-процес-соров, так и отдельных элементов их проектирования [2].
В данной работе представлена методика проектирования и применения ФПЗС, которая позволяет пройти путь от постановки задачи до создания ФПЗС-процессора, выполняющего предварительную обработку сигналов по выбранному алгоритму. В рамках предлагаемой методики рассматриваются следующие вопросы:
— определены подходы к заданию элементного базиса ФПЗС-процессоров;
— в соответствии с этапами преобразования представлена классификация алгоритмов предварительной обработки;
— рассмотрен один из алгоритмов;
— с целью синтеза процессора предложен граф продвижения зарядовых пакетов по ФПЗС;
— предложена новая схема ФПЗС-процессора, реализующего алгоритм синхронного накопления;
— разработана модель управления фотоприемником, связанная с организацией программирования и построения ПЗС-контроллера.
ЭЛЕМЕНТНЫЙ БАЗИС ФПЗС-ПРОЦЕССОРОВ
На первом этапе рассмотрения определим элементный базис ФПЗС-процессоров, под которым будем понимать основной набор ПЗС-элементов, позволяющий создавать ФПЗС-процес-соры с заданными свойствами. Каждый элемент выполняет свою функцию по обработке зарядовых пакетов. Эти функции, как будет видно ниже, отличаются от функций элементов цифровых процессоров, в которых в качестве элементного базиса одноразрядного вычислителя применяются всего четыре типа элементов: AND, ORR ADD, NOT. Более сложные операции цифровых процессоров выполняются при помощи многократного использования указанных простых операций с привлечением дополнительных функций, связывающих цифровые разряды, например, типа SHIFT.
Для ФПЗС набор простых операций значительно больше, а многократное их использование (в рамках одного пикселя) значительно сложнее. Другой особенностью ФПЗС является то, что возможна различная реализация ПЗС-элементов, выполняющих одну и туже функ-
Рис. 1. Структурная схема ПЗС-фотоприемника с зарядовым операционным блоком
цию, что определяется прежде всего топологией ПЗС-элемен-та, например двух- или трехфазный элемент, и выбранной схемой связи элементов.
Известны два направления построения ФПЗС-процессоров: совмещение в сенсорном поле фотоприемных элементов и элементов обработки и вынесение ПЗС-элементов обработки, в том числе и на внешний кристалл [18]. В обоих случаях можно говорить о наличии зарядового операционного блока (рис. 1). Свет Е(/, х), где / — время, х — пространственная координата, попадает на фотоприемные элементы, в них накапливаются зарядовые пакеты:
Ш, п) =
ты
= | | |Е(/, х)| г(х'п —
0 Ах
где <0(/, п) — заряд в п-ом элементе ФПЗС в ¡-й момент времени; г (х) — апертурная функция элемента; 7]п1 — время накопления зарядовых пакетов в ПЗС-элементе. Сформированные таким образом кадры зарядовых пакетов <0(/, п) обрабатываются в зарядовом операционном блоке, на выходе которого появляется у-кадров с т зарядовыми пакетами <0'(у, т) (у < I, т < п); затем зарядовые пакеты преобразуются в уровни напряжений и(у, т) и выводятся из ФПЗС.
Вынесение из сенсорного поля элементов обработки не
позволяет в полной мере использовать возможности параллельной обработки данных. Поэтому актуально рассмотрение первого направления, связанного с созданием сенсорного массива со специальными свойствами и с окружением его ПЗС-ре-гистрами и ПЗС-элементами. Свойства сенсорного массива определяются возможностями отдельных его элементов, которые выполняют элементарные операции по обработке зарядовых пакетов.
Выделим ос
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.