A CMOS Vision Sensor Based on Address
Event Representation
学科专业：微电子学与固体电子学
研究生：于璐
指导教师：姚素英教授
天津大学电子信息工程学院学院
二零一二年十二月
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中
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摘要
传统的视觉传感器以―帧‖为图像传输方式，具有像素面积小，分辨率高，填充因子高，制作成本低等优势。但是随着千万级像素的广泛需求，以及CMOS 工艺尺寸的不断减小，电压不断降低，传统视觉 传感器遇到了数据量大、帧频小、动态范围低的发展瓶颈。为获取高帧频、大动态范围、低数据量的精确视觉信息，本文研究了一种基于地址-事件表达（Address Event Representation, AER）方式的CMOS视觉传感器。
本论文首先在对AER方式研究的基础上，分析了基于此方式的视觉传感器从源头消除冗余数据，实现非―帧‖输出的原理及工作方式；其次，针对系统的核心电路——双采样脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）电路，就工作原理、噪声消除机制进行了对比和分析，并建立了其非线性响应下噪声引起的时间误差模型，提出了降低时间误差的参数选择办法；再次，建立了基于AER方式的视觉传感器系统架构，对像素结构及仲裁模块进行行为级建模、仿真，验证了该方式的可行性；最后，根据系统方案及仿真模型的结果，对双采样PWM电路、光强变化感知电路、平均权重仲裁电路进行了设计和仿真。
本文所设计的AER方式视觉传感器采用128×128的像素阵列，像素结构采用双采样PWM电路与光强变化感知电路相结合的形式，实现了像素的事件触发，异步工作，并从源头上消除了冗余信息，帧频、动态范围大幅提高；采用多模式仲裁的功能，可有效减小输出数据量，并获得较小的时间延迟。经仿真验证，该视觉传感器动态帧频最小等效值为100fps-1000fps，静态动态范围大于133dB，平均权重仲裁电路时间延迟最长160.65ns。结果表明，该AER视觉传感器可完成视觉信息的采集、处理、输出，适用于高速、高动态范围视觉领域。
关键词：CMOS视觉传感器，AER方式，双采样PWM像素，仲裁输出，动态范围，帧频
ABSTRACT
Based on the transmission mode of frame, traditional vision sensor h as excelled in small pixel area, high resolution, high fill factor and low production cost. But with the increase of ten million level pixels in demand, and development of CMOS processes, the development of traditional vision sensor is limited in large data transfer, small frame frequency and low DR. In order to achieve high frame frequency, high DR and low data quantity of visual information accurately, a vision sensor based on address event representation is proposed.
Based on the basic principles of AER, the theory how AER vision sensor can eliminate redundant data from source, realize the "no-frame" output is presented firstly. Secondly, double sampling PWM circuit, the core of the system, is studied by working principle, noise elimination mechanism. A time error mode is established which can help to choose appropriate parameters. Then, system architecture of vision sensor based on AER is established. B y behavioral model of pixel architecture, arbitration module and system architecture, the feasibility of the system is proved. At last, circuit-level design, including the design of CDS PWM circuit, change detector circuit and arbitration circuit is implemented. The simulation results of the circuits are also given.
The AER vision sensor in the paper applies a 128×128 pixel array. The pixel can detect and quantify the light intensity changes by change detector circuits and double sampling pulse width modulation circuits. The sensor works by event trigger, asynchronous, so that redundant information can be eliminated from source, DR and frame frequency increase. The output can be decreased by arbitration function and time delay also decreases. The simulated results show that the minimum equivalent frame frequency is 100fps to 1000fps. DR can reach 133dB. Maximum time delay of arbitration circuit is 160.65ns. It proves that the method proposed can perform real-time optical signal capturing, processing and readout; as well as be applied to the flied of high-speed and high DR image and vision.
KEY WORDS：Vision Sensor, Address Event Representation, CDS PWM pixel, Arbitration, DR, Frame Frequency
目录
第一章绪论 (1)
1.1 CMOS图像传感器概述 (1)
1.2 CMOS传感器的主要参数指标 (2)
1.2.1填充因子 (3)
1.2.2暗电流 (3)
1.2.3动态范围 (3)
1.2.4信噪比 (4)
1.3数字像素CMOS图像传感器概述 (4)
1.4基于AER方式的图像传感器简介 (5)
1.4.1 AER方式与空间域量化方式相结合 (6)
1.4.2 AER方式与时间域量化方式相结合 (7)
1.5选题意义 (8)
1.6论文结构 (9)
第二章基于AER方式的图像传感器原理 (11)
2.1 AER方式原理 (11)
2.2基于AER方式的视觉传感器 (12)
2.3本章小结 (13)
第三章双采样脉冲宽度调制像素结构分析 (14)
3.1 PWM像素结构原理 (14)
3.2双采样PWM像素结构原理 (16)
3.3双采样PWM像素结构与传统PWM像素结构对比 (18)
3.4双采样PWM像素结构的动态范围与帧频的关系 (20)
3.5非线性响应引起的时间误差 (23)
3.6非线性响应下的噪声引起的双采样PWM像素时间误差 (25)
3.6.1固定模式噪声引起的时间误差 (25)
3.6.2随机噪声引起的时间误差 (30)
3.6.2.1复位噪声引起的时间误差 (30)
3.6.2.2散粒噪声引起的时间误差 (31)
3.6.2.3参考噪声引起的时间误差 (34)
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