像素實現(xiàn)原理 - cmos+憶阻器實現(xiàn)高效分布式處理兼存儲功能的傳感器架構(gòu)

因此，當(dāng)Vmax試圖快速觸達(dá)VS過程中，Vmin也在做同樣的事情，只不過速度較慢。這里，灰色區(qū)域快速變大。在若干個幀后，兩個閾壓限制VS，吸收全部信號變化，這樣不會再產(chǎn)生任何熱像素。從此，灰色區(qū)域恢復(fù)窄狀和最大像素敏感度。

圖6：利用內(nèi)部三個憶阻器執(zhí)行動態(tài)背景提取的像素示意圖

IV. 像素實現(xiàn)

可以用兩個理想的低通濾波器來實現(xiàn)等式(10)-(13)。如圖5所示，LPF1實現(xiàn)等式(10)和(11)，LPF2實現(xiàn)等式(12)和(13)。假設(shè)理想二極管D1-D4(無電壓降)，且RL > RH, 每個模塊實現(xiàn)兩個不同的一階阻容濾波器，TH = RHC，且TL = RLC, 其中RH >> RL。監(jiān)視場景中的事件需要從幾秒到幾十秒的大范圍時間常數(shù)濾波器，這意味R和C應(yīng)該分別是兆歐和微法量級的電阻器和電容器。每個模塊(LPF1, LPF2)都必須能夠從一個時間常數(shù)切換到另一個時間常數(shù)，從而取得自適應(yīng)算法所需的行為特性。為取得一個高效的視覺傳感器架構(gòu)，這種雙邊峰值檢測和濾波操作必須在像素附近的位置完成。為此，有些人提出定制cmos傳感器解決方案,使用開關(guān)電容器技術(shù)模擬每個像素里面的兩個濾波器。不過，這種設(shè)計方法有以下兩個缺點：(a) 兩個閾壓值在模擬存儲器內(nèi)的保留時間達(dá)不到應(yīng)用的求；(b)充當(dāng)模擬存儲單元的電容器占用的芯片面積過大，影響像素間距變小。為解決這些主要問題，我們探討能否用一個憶阻器代替濾波器的部分功能，發(fā)揮其非易失性存儲和納米級尺度的優(yōu)勢。此外，通過數(shù)字脈沖（電壓或電流）信號很容易控制憶阻器的電阻，按照圖4的工作原理，我們的像素解決方案依靠三個憶阻器(MS, Mmax，Mmin)保存與信號VS成正比的電阻值和兩個閾壓Vmax和Vmin。像素解決方案的原理示意圖如圖6所示。光頻轉(zhuǎn)換器 (L2F)模塊將留在像素上的光強轉(zhuǎn)換成固定脈寬(△T)且頻率與光生電流(Iph)成正比的數(shù)字脈沖，在像素復(fù)位過程中，MS電阻值置于最高值(MSL = ROFF ),等待L2F數(shù)字脈沖設(shè)置電阻值。

圖7：像素在積分時間(Ti)內(nèi)的時序圖，L2F將n個數(shù)字電流脈沖I1饋入MS，使憶阻器電阻在Roff至R(n)范圍內(nèi)變化

圖8：與像素的四個不同狀態(tài)有關(guān)(max,min)的憶阻器控制： LL，HL，LH，HH

圖9：在每個更新脈沖 (PLS)后，通過憶阻器電阻值(Mmax, Mmin)表達(dá)兩個閾壓在每個像素狀態(tài)(表I所列像素狀態(tài): S1, S2, S3, S4)的預(yù)計行為。S1、S2和S3是發(fā)生在傳感器工作期間的典型狀態(tài)，而S4則發(fā)生在傳感器校準(zhǔn)階段，是專門生成的信號。

A. 曝光時間

在曝光時間(Ti)內(nèi), L2F轉(zhuǎn)換器生成一串振幅I1、脈寬△T且頻率與光強成正比的電流脈沖，送入MS，如圖7所示。下面的等式通過狀態(tài)變量w(t)描述了MS的狀態(tài)：

?

使用置于像素外部的兩個時鐘驅(qū)動的列級(HBLOCK)比較器完成熱像素檢測。表I列出了不同像素狀態(tài)的數(shù)字輸出信號。

C. 閾壓更新

圖8描述了兩個憶阻器(Mmax和Mmin)的控制與S1、S2、S3和S4四個像素狀態(tài)的關(guān)系。為實現(xiàn)一個時間常數(shù)TH短的濾波器，用信號PLS生成的△TP脈寬的電流脈沖IPH驅(qū)動憶阻，饋入HBLOCK。通過估算注入到器件的電荷qHOT = IH?△TP和施加的脈沖數(shù)量”m”，設(shè)置濾波器的時間常數(shù)。另一方面，考慮到冷像素條件，慢濾波器負(fù)責(zé)處理電荷qCOLD = IPL?△TP，qCOLD < qHOT。 這意味，給憶阻器提供的電荷量相同時，在qCOLD情況下，憶阻變化不大。通過選用圖8所示的電路配置，有時可以進(jìn)行兩個閾壓的更新過程。假設(shè)像素狀態(tài)是S3，向Mmax饋入qHOT = IH?△TP , 同時向Mmin饋入qCOLD = (IH-Id)?△TP, Id = IH-IL。在這種情況下，兩個閾壓(Vmax和Vmin)都接近電流信號VS，但是以不同的速度接近(Vmax上升快，Vmin下降慢)。

V. 仿真結(jié)果

我們使用MATLAB建立了自適應(yīng)背景提取算法模型并進(jìn)行了仿真測試。如圖6所示，我們模擬了像素架構(gòu)的四種不同狀態(tài)，使用Cadence Spectre通過電仿真再現(xiàn)了圖9所描述的預(yù)期行為。像素架構(gòu)設(shè)計采用3.3V、0:35m cmos制造工藝，使用Verilog-A模擬憶阻器行為，選擇寬憶阻范圍(RON = 200Ω ,ROFF = 200KΩ)，以覆蓋更大的動態(tài)范圍。曝光時間值不宜過大，以不會在高頻光阻編碼過程中導(dǎo)致Ms進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)為準(zhǔn)。

使用相同的仿真參數(shù)驗證四個像素狀態(tài)，仿真結(jié)果見圖10。用L2F在10 ms曝光時間(Ti)內(nèi)生成的數(shù)字脈沖設(shè)置Ms。在憶阻重置到ROFF狀態(tài)前，比較Ms的最終值與Mmax和 Mmin值。然后，根據(jù)像素條件，對Mmax和Mmin進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。圖10a是圖8的像素狀態(tài)S1的仿真結(jié)果。這里，像素工作正常，如曲線所示，Mmax和Mmin保持向Ms緩慢匯合的趨勢。我們還注意到，熱像素的二進(jìn)制信號始終是低電平狀態(tài)。

在像素的其它狀態(tài): 圖8中的S2, S3，S4，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)一個熱像素，我們觀察到兩種情況。一種是，熱狀態(tài)像素直接隨正常像素條件變化，另一種情況是熱狀態(tài)像素（典型S4）將必須變成另一個熱像素條件(S2 或S3)，才能返回到正常條件(S1)。

A. 直接從熱像素狀態(tài)轉(zhuǎn)到冷像素狀態(tài)

像素狀態(tài)S2和S3通常直接轉(zhuǎn)到正常像素條件。從圖10b不難看出，在S2狀態(tài)中，Mmax和Mmin嘗試以不同的時間常量接近Ms，在這個過程中，Mmax升高速度比快Mmin很多，直到像素恢復(fù)到正常工作條件為止。如圖10c所示，當(dāng)像素在S3狀態(tài)時出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，Mmin以比Mmax更快速度的下降接近Ms。圖10d是S4狀態(tài)的仿真結(jié)果。在這種情況下，Mmax上升速率與Mmin下降速率相同，直到像素恢復(fù)到正常條件為止。在所有情況下，變化速率是由所施加的電流脈沖振幅控制的。

B. 從一個熱像素狀態(tài)轉(zhuǎn)到另一個熱像素狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)至冷像素

雖然S4是一個典型的禁用狀態(tài)，是根據(jù)Mmax和Mmin兩個閾值發(fā)生的熱像素，但是通常發(fā)生在校準(zhǔn)階段系統(tǒng)上電過程中。在這種情況，傳感器是照片拍攝模式，算法嘗試將兩個閾值快速匯合到冷像素條件，同時像素故意設(shè)置為狀態(tài)S4。這個階段可需要幾個幀，直到整個像素達(dá)到冷狀態(tài)為止。在S4狀態(tài)，熱像素不視為潛在報警。在圖10e中，上邊界Mmax在下邊界Mmin之前穩(wěn)定，導(dǎo)致S4轉(zhuǎn)至S2，再轉(zhuǎn)至S1。圖10f是這種情況的結(jié)果：Mmin在Mmax之前穩(wěn)定; 我們觀察到，從S4進(jìn)入S3，再進(jìn)入S1。

圖10：內(nèi)置三個憶阻器執(zhí)行動態(tài)背景提取的像素架構(gòu)在圖6所示LL, HL, LH, HH條件下的電仿真結(jié)果。圖a, b, c, d分別是四個不同控制狀態(tài)S1, S2, S3、S4的仿真，從熱直接變冷。圖e, f是控制狀態(tài)S4仿真，從熱間接變冷，還描述了每個像素狀態(tài)的熱像素(HOT)二進(jìn)制信號。紅色條狀圖表示與上閾壓V max有關(guān)的異常事件（熱像素檢測），上閾壓V max由Mmax決定；而藍(lán)色條狀圖代表下閾壓V min有關(guān)的異常事件，下閾壓V min由Mmin決定，詳見圖4給出的算法工作原理。

VI. 結(jié)論

本文論述了如何有效地結(jié)合cmos電子元器件使用憶阻器，實現(xiàn)一個高效分布式處理兼?zhèn)浯鎯δ艿囊曈X傳感器架構(gòu)，執(zhí)行穩(wěn)健的實時圖像處理。本文主要論述了被稱作目標(biāo)跟蹤引擎的自適應(yīng)背景提取技術(shù)。憶阻器具有納米級尺度和非易失性，有望成為全新的嵌入式分布處理和存儲功能兼?zhèn)涞牟⑿杏嬎銠C(jī)的理想元器件。當(dāng)芯片內(nèi)部濾波器需要長時間常數(shù)或片上存儲器需要更長的數(shù)據(jù)保存時間時，憶阻器的特性將具有更重要的意義。