高性能动态视觉传感器芯片设计

作     者：夏璨璨 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李先锐;刘洁

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：动态视觉传感器 有源像素图像传感器 地址-事件表示协议 列顺序选择 串行外设接口 

摘      要：传统的图像传感器以固定帧率输出图像的绝对光强信息,分辨率高、填充率高,具备可以重构图像的细节纹理信息,但数据量大、功耗大,在极端的光照条件下不能获取足够的图像信息。动态视觉传感器(Dynamic Vision Sensor,DVS)模拟生物视网膜处理信息的机制,在外部光照条件发生变化时,像素电路异步地产生脉冲事件。当光强信息不变化时,DVS没有输出,所以DVS具有数据量小、低功耗、快速响应的特点。动态视觉传感器仅有事件的地址信息,无图像的细节特征,为了增加细节特征,本文在DVS输出动态信息的同时输出对应光强信息,进一步提升动态视觉传感器的性能。本文设计了一种由像素阵列、线或模块、行仲裁模块、列顺序输出模块、像素值读出模块、行编码模块和基于串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)的偏置电压产生模块组成的高性能动态视觉传感器芯片。其中,像素阵列感受光照强度及光强变化,产生事件和对应光电压;线或、仲裁、列顺序输出等模块将事件的地址信息和光电压输出到芯片外部。本文提出的高性能动态视觉传感器芯片具有以下特点:(1)像素单元由一个DVS像素电路和四个有源像素传感器(Active Pixel Sensor,APS)像素电路构成,通过逻辑电路进行控制,实现事件与灰度值的同步输出;(2)采用了行仲裁与列顺序选择相结合的AER通信方式,摒弃二维仲裁的使用,减少因二维仲裁结构产生的延时,解决了运动伪影的问题;(3)像素值读出模块由模数转换器(Analog-to-Digital Conver,ADC)和输出电路组成,将像素阵列输出到列总线的电压值读出,为DVS补充像素灰度值信息;(4)将SPI接口作为芯片偏置电压的输入端,通过较少的输入引脚,为芯片提供稳定的偏置电压,解决芯片外部供电的不稳定性。本文对高性能动态视觉传感器芯片的各个子模块电路和整体电路进行了设计与仿真,并基于4×4像素阵列进行了版图设计和后仿真验证。仿真结果表明,本芯片的动态范围(Dynamic Range,DR)约为97d B,对比灵敏度约为36%,填充因子(Fill Factor,FF)约为14.7%,芯片系统同步输出事件地址信息和像素灰度值,补充了图像的细节纹理信息,实现了电路的设计要求。