圖像信號(hào)處理芯片AK8408的原理及應(yīng)用

AK8408是日本旭化成(株)研制的新一代專用于處理CCD、CIS等彩色/黑白圖像傳感器輸出信號(hào)的專用芯片。它將圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出給用戶。同時(shí)，根據(jù)用戶自己的設(shè)置，可以將圖像傳感器的明輸出偏差值與暗輸出偏差值進(jìn)行先期處理。

主要性能介紹

AK8408是CMOS單片結(jié)構(gòu)，5V單一電源(5V±5%)，內(nèi)置基準(zhǔn)電壓電路，100PIN LQFP的封裝形式。主要性能包括：

彩色傳感器用寄生信號(hào)補(bǔ)償LSI

對(duì)應(yīng)1CH、G/R/B3CH輸出的傳感器，產(chǎn)生傳感器用的CLK、最大輸入電平1.25VP-P。

輸入圖像信號(hào)數(shù)據(jù)的速度：1CH時(shí),10M像素/秒；3CH時(shí)，3.3M3像素/秒。

可對(duì)應(yīng)最大像素?cái)?shù)是81923(可以8像素為1個(gè)單位設(shè)定)。

內(nèi)置圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換用10位ADC和兩個(gè)8位DAC設(shè)定暗/明基準(zhǔn)電壓

內(nèi)置檢測全像素明電平補(bǔ)償值的用ADC和補(bǔ)償用模擬除法器。

內(nèi)置3CH的偏差檢測/補(bǔ)償用的ADC/DAC。

3CH增益調(diào)整用PGA(8位、1倍～4倍)、內(nèi)置增益調(diào)整功能。

LED點(diǎn)燈時(shí)間調(diào)整功能，內(nèi)置峰值檢測/保持電路(8位)。

串行接口。

CLK：1.5MHZ～10MHZ。

內(nèi)部功能電路說明

1.基準(zhǔn)電壓生成電路：

將電源電壓用電阻分壓，生成基準(zhǔn)鉗位電壓VCLP=2.1V。

使用基準(zhǔn)電壓電路，生成明電平側(cè)基準(zhǔn)電壓VREF=0.85V。

2.傳感器信號(hào)輸入電路：

輸入信號(hào)是負(fù)邏輯(負(fù)向?yàn)檩斎胄盘?hào)的明電平方向)。

3個(gè)通道分別內(nèi)置鉗位電路和采樣保持電路，可以通過設(shè)定寄存器來選定1個(gè)通道工作(10MHZ)或3個(gè)通道工作(3.3MHZ)。

由內(nèi)置的模擬開關(guān)和外部的電容構(gòu)成直流再生電路。

3.暗補(bǔ)償值檢測ADC/補(bǔ)償電路：

將指定的像素或全像素的模擬輸入信號(hào)與鉗位電壓的差值用8位AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并作為補(bǔ)償值。可以檢測、補(bǔ)償相對(duì)于鉗位電壓的正、負(fù)兩個(gè)方向的暗偏差值。

補(bǔ)償就是用模擬輸入信號(hào)減去補(bǔ)償值。補(bǔ)償范圍可以由寄存器來規(guī)定，一般是 50mV～ 200mV，用 50mV為一個(gè)單位變換。為了消除LSI初期的放大器的偏差信號(hào)(最大為25mV)，用寄存器可以設(shè)定可檢測的動(dòng)態(tài)量程在25mV的狹窄范圍內(nèi)。

暗補(bǔ)償電路不能消除該電路以后的電路產(chǎn)生的偏差。為了消除它，可以適當(dāng)調(diào)整被檢測的偏差數(shù)據(jù)。調(diào)整用數(shù)據(jù)根據(jù)暗補(bǔ)償值偏差調(diào)整用寄存器設(shè)定。

4.PGA電路：

增益調(diào)整電路的作用是使各通道的信號(hào)幅度保持同一水平。

暗補(bǔ)償后的信號(hào)以VCLP為基準(zhǔn)調(diào)整增益。根據(jù)PGA增益寄存器的設(shè)定，可在1～4倍內(nèi)適當(dāng)調(diào)整增益。

5.峰值檢測/保持電路：

由逐次比較型8位ADC(峰值檢測電路)和8位DAC(峰值保持電路)以及它們之間的數(shù)字電路構(gòu)成。

峰值檢測電路的輸入信號(hào)，在峰值檢測模式時(shí)成為暗補(bǔ)償后的信號(hào)、在讀取模式時(shí)成為暗/明補(bǔ)償后的正規(guī)化信號(hào)。

6.明補(bǔ)償值檢測/補(bǔ)償電路：

把用峰值檢測模式檢測的峰值電壓(VPEAK)作為明電平側(cè)基準(zhǔn)、把VCLP的40%作為暗電平側(cè)的基準(zhǔn)。全像素范圍內(nèi)，把鉗位電壓與模擬輸入信號(hào)的差值用9位ADC進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并作為補(bǔ)償值。

補(bǔ)償就是把檢測到的補(bǔ)償值作為放大數(shù)據(jù)再進(jìn)行模擬計(jì)算。

7.用于圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換的10位ADC用的基準(zhǔn)電壓生成DAC(暗/明)：

內(nèi)置產(chǎn)生相對(duì)于VCLP與VPEAK的相對(duì)電壓的兩個(gè)8位DAC，作為圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換的10位ADC用的暗、明基準(zhǔn)電壓。

8.圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換用的10位ADC：

內(nèi)置把暗/明補(bǔ)償后的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行最后AD轉(zhuǎn)換的10位ADC。

把基準(zhǔn)電壓生成DAC生成的基準(zhǔn)電壓(VWHT、VBLK)作為滿量程進(jìn)行10位AD轉(zhuǎn)換。

9.暗偏差調(diào)整電路：

為了調(diào)整明電平檢測/補(bǔ)償電路前面的內(nèi)部偏差值，要用暗補(bǔ)償值對(duì)偏差進(jìn)行計(jì)算。

10.ADC偏差調(diào)整電路：

為了調(diào)整明電平檢測/補(bǔ)償電路后面的內(nèi)部偏差值，要在ADC輸入端對(duì)偏差進(jìn)行計(jì)算。

各種傳感器及輸入電路控制

MUX電路控制

在3CH彩色傳感器中，彩色/黑白處理的區(qū)別，或者，前期處理時(shí)輸入通道的設(shè)定等，根據(jù)通道使能寄存器來設(shè)定。

3CH彩色傳感器(彩色處理)

1.采樣速度最大為3.3M/sec，圖像信號(hào)處理速度最大為10M/sec；

2.3CH同時(shí)采樣，然后按照設(shè)定的采樣順序，切換MUX；

3.被采樣的N 3個(gè)數(shù)據(jù)，如下圖所示，相互交替排列成一線數(shù)據(jù)輸入；
[3CH彩色傳感器的輸出](圖1)
(例如：CN0對(duì)應(yīng)GREEN、CN1對(duì)應(yīng)RED、CN2對(duì)應(yīng)BLUE的輸入場合)
[3CH傳感器彩色處理](圖2)
(例如：采樣順序設(shè)定為CN0→CN1→CN2時(shí))

1CH彩色傳感器(彩色處理)

1.采樣速度與圖像處理速度相同，最大為10M/sec；

2.傳感器輸出信號(hào)從CN0輸入，CN1、CN2開路；

3.隨著每線輸入信號(hào)顏色的變化，LSI內(nèi)部的處理顏色也變化；

4.彩色處理順序用采樣順序設(shè)定寄存器設(shè)定，GRB各色數(shù)據(jù)分別采樣；
[1CH彩色傳感器的輸出](圖3)
[1CH彩色傳感器的處理](例如：采樣順序設(shè)定為G→R→B)(圖4)

傳感器通道切換模式(彩色處理)

1.采樣速度與圖像處理速度相同，最大為10M/sec；

2.切換每線采樣通道，按照采樣順序的設(shè)定來切換MUX。與此相對(duì)應(yīng)，LSI內(nèi)部的處理顏色也變化；

3.彩色處理順序用采樣順序設(shè)定寄存器設(shè)定，GRB各色數(shù)據(jù)分別采樣；
[傳感器通道切換模式時(shí)彩色傳感器的輸出]
(例如：采樣順序設(shè)定為G→R→B的輸入場合)(圖5)
[3CH傳感器彩色處理]
例如:采樣順序設(shè)定為CN0-CN1-CN2時(shí)。(圖6)

7種工作模式及內(nèi)部寄存器

AK8408有地址是從00H到2AH的共計(jì)43個(gè)內(nèi)部功能設(shè)定寄存器，它控制著AK8408的所有操作及七種基本工作模式。其中對(duì)通道的選擇、操作過程基本如下：

通過AK8408的3位控制寄存器(R12/D2、R12/D1、R2/D0)，專門用于控制各個(gè)通道的使能/禁止。0：禁止；1：使能。使用傳感器時(shí)，本寄存器的設(shè)定方法如下所示(以3CH彩色傳感器為例)。

1.偏差校準(zhǔn)模式1：需要各個(gè)通道分別進(jìn)行，用本寄存器依次設(shè)定需要處理的各個(gè)通道。實(shí)施本模式，一次僅能使能一個(gè)通道。

2.偏差校準(zhǔn)模式2：與本寄存器無關(guān)，將通道全部使能。

3.檢測暗補(bǔ)償值：需要各個(gè)通道分別進(jìn)行，用本寄存器依次設(shè)定需要處理的各個(gè)通道。

4.增益調(diào)整：需要各個(gè)通道分別進(jìn)行，用本寄存器依次設(shè)定需要處理的各個(gè)通道。

5.峰值檢測：與本寄存器無關(guān)，將通道全部使能。

6.檢測明補(bǔ)償值：需要各個(gè)通道分別進(jìn)行，用本寄存器依次設(shè)定需要處理的各個(gè)通道。

7.讀取：將通道全部使能。