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图像信号处理芯片AK8408的原理及应用
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Imaging DSP AK8408：Principle and Application
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■山东华菱电子有限公司 王 翥
哈尔滨工业大学威海分校 佟晓筠
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AK8408是日本旭化成（株）研制的新一代专用于处理CCD、CIS等彩色/黑白图像传感器输出信号的专用芯片。它将图像传感器输出的模拟信号转换成数字信号输出给用户。同时，根据用户自己的设置，可以将图像传感器的明输出偏差值与暗输出偏差值进行先期处理。
主要性能介绍
AK8408是CMOS单片结构，5V单一电源（5V±5%），内置基准电压电路，100PIN LQFP的封装形式。主要性能包括：
●彩色传感器用寄生信号补偿LSI
●对应1CH、G/R/B3CH输出的传感器，产生传感器用的CLK、最大输入电平1.25VP-P。
●输入图像信号数据的速度：1CH时,10M像素/秒；3CH时，3.3M3像素/秒。
●可对应最大像素数是81923（可以8像素为1个单位设定）。
●内置图像信号转换用10位ADC和两个8位DAC设定暗/明基准电压
●内置检测全像素明电平补偿值的用ADC和补偿用模拟除法器。
●内置3CH的偏差检测/补偿用的ADC/DAC。
●3CH增益调整用PGA（8位、1倍～4倍）、内置增益调整功能。
●LED点灯时间调整功能，内置峰值检测/保持电路（8位）。
●串行接口。
●CLK：1.5MHZ～10MHZ。
内部功能电路说明
1.基准电压生成电路：
●将电源电压用电阻分压，生成基准钳位电压VCLP=2.1V。
●使用基准电压电路，生成明电平侧基准电压VREF=0.85V。
2.传感器信号输入电路：
●输入信号是负逻辑(负向为输入信号的明电平方向)。
●3个通道分别内置钳位电路和采样保持电路，可以通过设定寄存器来选定1个通道工作（10MHZ）或3个通道工作（3.3MHZ）。
●由内置的模拟开关和外部的电容构成直流再生电路。
3.暗补偿值检测ADC/补偿电路：
●将指定的像素或全像素的模拟输入信号与钳位电压的差值用8位AD转换器转换成数字信号，并作为补偿值。可以检测、补偿相对于钳位电压的正、负两个方向的暗偏差值。
●补偿就是用模拟输入信号减去补偿值。补偿范围可以由寄存器来规定，一般是
50mV～ 200mV，用 50mV为一个单位变换。为了消除LSI初期的放大器的偏差信号（最大为25mV），用寄存器可以设定可检测的动态量程在25mV的狭窄范围内。
●暗补偿电路不能消除该电路以后的电路产生的偏差。为了消除它，可以适当调整被检测的偏差数据。调整用数据根据暗补偿值偏差调整用寄存器设定。
4.PGA电路：
●增益调整电路的作用是使各通道的信号幅度保持同一水平。
●暗补偿后的信号以VCLP为基准调整增益。根据PGA增益寄存器的设定，可在1～4倍内适当调整增益。
5.峰值检测/保持电路：
●由逐次比较型8位ADC（峰值检测电路）和8位DAC（峰值保持电路）以及它们之间的数字电路构成。
●峰值检测电路的输入信号，在峰值检测模式时成为暗补偿后的信号、在读取模式时成为暗/明补偿后的正规化信号。
6.明补偿值检测/补偿电路：
●把用峰值检测模式检测的峰值电压（VPEAK）作为明电平侧基准、把VCLP的40%作为暗电平侧的基准。全像素范围内，把钳位电压与模拟输入信号的差值用9位ADC进行AD转换，并作为补偿值。
●补偿就是把检测到的补偿值作为放大数据再进行模拟计算。
7.用于图像信号转换的10位ADC用的基准电压生成DAC（暗/明）：
●内置产生相对于VCLP与VPEAK的相对电压的两个8位DAC，作为图像信号转换的10位ADC用的暗、明基准电压。
8.图像信号转换用的10位ADC：
●内置把暗/明补偿后的模拟输入信号进行最后AD转换的10位ADC。
●把基准电压生成DAC生成的基准电压（VWHT、VBLK）作为满量程进行10位AD转换。
9.暗偏差调整电路：
●为了调整明电平检测/补偿电路前面的内部偏差值，要用暗补偿值对偏差进行计算。
10.ADC偏差调整电路：
为了调整明电平检测/补偿电路后面的内部偏差值，要在ADC输入端对偏差进行计算。
各种传感器及输入电路控制
MUX电路控制
在3CH彩色传感器中，彩色/黑白处理的区别，或者，前期处理时输入通道的设定等，根据通道使能寄存器来设定。
3CH彩色传感器（彩色处理）
1.采样速度最大为3.3M/sec，图像信号处理速度最大为10M/sec；
2.3CH同时采样，然后按照设定的采样顺序，切换MUX；
3.被采样的N 3个数据，如下图所示，相互交替排列成一线数据输入；
[3CH彩色传感器的输出](图1)
（例如：CN0对应GREEN、CN1对应RED、CN2对应BLUE的输入场合）
[3CH传感器彩色处理](图2)
（例如：采样顺序设定为CN0→CN1→CN2时）
1CH彩色传感器（彩色处理）
1.采样速度与图像处理速度相同，最大为10M/sec；
2.传感器输出信号从CN0输入，CN1、CN2开路；
3.随着每线输入信号颜色的变化，LSI内部的处理颜色也变化；
4.彩色处理顺序用采样顺序设定寄存器设定，GRB各色数据分别采样；
[1CH彩色传感器的输出](图3)
[1CH彩色传感器的处理]（例如：采样顺序设定为G→R→B）(图4)
传感器通道切换模式（彩色处理）
1.采样速度与图像处理速度相同，最大为10M/sec；
2.切换每线采样通道，按照采样顺序的设定来切换MUX。与此相对应，LSI内部的处理颜色也变化；
3.彩色处理顺序用采样顺序设定寄存器设定，GRB各色数据分别采样；
[传感器通道切换模式时彩色传感器的输出]
（例如：采样顺序设定为G→R→B的输入场合）(图5)
[3CH传感器彩色处理]
例如:采样顺序设定为CN0-CN1-CN2时。(图6)
7种工作模式及内部寄存器
AK8408有地址是从00H到2AH的共计43个内部功能设定寄存器，它控制着AK8408的所有操作及七种基本工作模式。其中对通道的选择、操作过程基本如下：
通过AK8408的3位控制寄存器（R12/D2、R12/D1、R2/D0），专门用于控制各个通道的使能/禁止。0：禁止；1：使能。使用传感器时，本寄存器的设定方法如下所示（以3CH彩色传感器为例）。
1.偏差校准模式1：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。实施本模式，一次仅能使能一个通道。
2.偏差校准模式2：与本寄存器无关，将通道全部使能。
3.检测暗补偿值：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。
4.增益调整：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。
5.峰值检测：与本寄存器无关，将通道全部使能。
6.检测明补偿值：需要各个通道分别进行，用本寄存器依次设定需要处理的各个通道。
7.读取：将通道全部使能。 |
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