CN112165586A - Adc功能安全校验装置和方法、cmos图像传感器、参考像素单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ADC功能安全校验装置和方法、CMOS图像传感器、参考像素单元，包括自检信号发生单元、DAC单元、参考像素单元以及判断单元，所述自检信号发生单单元用于输出ADC自检数字信号给所述DAC单元以及所述判断单元，所述DAC单元将所述ADC自检数字信号转换成模拟信号并发送给所述参考像素单元，所述参考像素单元输出对应的电压信号给CMOS图像传感器中的列级ADC，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元，最后，所述判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

Description

ADC功能安全校验装置和方法、CMOS图像传感器、参考像素 单元

技术领域

本发明涉及CMOS图像传感器技术领域，尤其是涉及一种ADC功能安全校验装置和方法、CMOS图像传感器、参考像素单元。

背景技术

针对汽车电子元器件及组件的安全需求，ISO国际标准化组织基于IEC61508《安全相关电气/电子/可编程电子系统功能安全》制定，于2011年11月15日发布了ISO26262《道路车辆功能安全》标准。标准发布以来，越来越多的车企开始要求车载电子元器件应符合该标准的要求。ISO26262规定了车载电子元器件功能安全的四个层次，分别使用ASIL-A/B/C/D来标识，其中ASIL-A最低，而ASIL-D要求最高，ASIL-A/B/C/D的区别在于对功能失效的处理和诊断覆盖率的指标。

CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor)图像传感器(CIS，CMOS Image Sensor)广泛应用于车载电子中，是驾驶辅助或自动驾驶技术的核心元器件之一。CMOS图像传感器通常需要达到ASIL-B以上的安全等级，这就意味着，CMOS图像传感器中所有组件的功能失效都需要被监测、或修正，并且能通知到后级处理。列级ADC(Analog to Digital Converter，模数转换器)是CMOS图像传感器中的核心电路，是功能安全诊断需要覆盖的核心组件。列级ADC架构的CMOS图像传感器，其像素阵列的列数对应了ADC的列数，通常可达到数百列、数千列。由于工艺、制造等各种因素，列级ADC可能存在功能丧失或出现一致性差异等失效模式。

因此，需要提出一种可以实现对列级ADC进行功能安全校验的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ADC功能安全校验装置和方法、CMOS图像传感器、参考像素单元，用于解决现有技术中无法实现对列级ADC进行功能安全校验的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提出一种ADC功能安全校验装置，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验装置包括：

自检信号发生单元，其被配置为输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；

DAC单元，其被配置为基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给参考像素单元；

参考像素单元，其被配置为基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元；

判断单元，其被配置为基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

可选地，所述自检信号发生单元通过随机数生成算法输出ADC自检数字信号。

可选地，所述随机数生成算法包括伪随机m序列生成算法或golden序列生成算法。

可选地，所述参考像素单元的数量为多个，多个所述参考像素单元构成一参考像素阵列，所述参考像素阵列的列数与所述列级ADC的列数相同；

所述模拟信号传输至所述参考像素阵列中的对应列中，所述电压信号传输至所述列级ADC的对应列中。

可选地，所述故障包括功能失效；

其中，当所述待检数字信号与所述ADC自检数字信号的差值超出预设阈值范围时，所述判断单元判定所述列级ADC对应的列发生所述功能失效。

可选地，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行一致性检查，所述一致性检查包括：

所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等；

判断处在同一行的所述校准行中所有列的所述待检数字信号是否均相等；

若否，则判定所述列级ADC对应的列发生非一致性功能失效，并通过数字进行校准。

可选地，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行校准检查，所述校准检查包括：

基于所述列级ADC的转换精度，通过调整所述列级ADC的斜波发生器的速率以及斜坡信号的斜率以校准所述列级ADC的转换精度。

可选地，所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等，处在不同行的所述校准行的所述ADC自检数字信号的值不相等；

基于所述待检数字信号以及所述ADC自检数字信号获取所述列级ADC的转换精度。

可选地，还包括：

功能失效寄存单元，其被配置为在所述列级ADC发生故障时，存储对应的列级ADC的故障状态。

可选地，所述参考像素单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管以及感光二极管；

其中，所述第一晶体管的第一端与所述感光二极管的负极连接，所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第一端连接，所述第一晶体管的控制端、所述第二晶体管的控制端、所述第二晶体管的第二端以及所述第三晶体管的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管的正极接地；

所述第三晶体管的控制端与所述DAC单元连接用以接受所述模拟信号，所述第三晶体管的第一端与所述第四晶体管的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管的第一端接地，所述第四晶体管的控制端与一行选信号连接。

可选地，所述判断单元包括比较器。

基于同一发明构思，本发明提出一种ADC功能安全校验方法，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验方法包括以下步骤：

自检信号发生单元输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；

DAC单元基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给所述参考像素单元；

参考像素单元基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元

判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

基于同一发明构思，本发明还提出一种CMOS图像传感器，包括上述特征描述中任一项所述的ADC功能安全校验装置。

基于同一发明构思，本发明还提出一种参考像素单元，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管以及感光二极管；

其中，所述第一晶体管的第一端与所述感光二极管的负极连接，所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第一端连接，所述第一晶体管的控制端、所述第二晶体管的控制端、所述第二晶体管的第二端以及所述第三晶体管的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管的正极接地；

所述第三晶体管的控制端与DAC单元连接用以接受模拟信号，所述第三晶体管的第一端与所述第四晶体管的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管的第一端接地，所述第四晶体管的控制端与一行选信号连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的ADC功能安全校验装置，包括自检信号发生单元、DAC(DigitaltoAnalog Converter，数模转换器)单元、参考像素单元以及判断单元，所述自检信号发生单单元用于输出ADC自检数字信号给所述DAC单元以及所述判断单元，所述DAC单元将所述ADC自检数字信号转换成模拟信号并发送给所述参考像素单元，所述参考像素单元输出对应的电压信号给CMOS图像传感器中的列级ADC，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元，最后，所述判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。传统的非车载电子类CMOS图像传感器的芯片设计，通常采用最简化的列级ADC结构，以满足功耗、成本、性能的平衡，传统的设计中，并没有考虑功能安全设计。本申请提出的所述ADC功能安全校验装置，在传统设计架构的基础上，通过参考像素单元提供的电压信号。再通过数字比对ADC自检数字信号与所述列级ADC转化的待检数字信号，在每帧图像数据采样之前，进行所述列级ADC功能失效的检测。当失效发生的时候，可以实时发现，通知系统中其它组件，避免因该功能失效引起整个系统的失效。基于本申请提出的所述ADC功能安全校验装置可使CMOS图像传感器的芯片满足ISO26262的要求，在芯片测试环节，可利用所述ADC功能安全校验装置完成对所述列级ADC的功能安全的检测，排除存在功能失效的芯片流出的可能性。并且，在CMOS图像传感器的芯片使用过程中，也可通过所述ADC功能安全校验装置，以帧为单位，在所述列级ADC发生功能失效时，及时通知后级处理，避免因所述列级ADC功能失效导致车辆驾驶出现危险。

2、所述自检信号发生单元可通过一些随机数生成算法输出ADC自检数字信号，例如，可通过伪随机m序列生成算法或golden序列生成算法生成ADC自检数字信号。由于ADC自检信号是随机产生的，无法进行芯片外干预，因此可以排除列级ADC的校验受到外界人为干扰的可能性，增加了安全性，提高了校正结果准确度和可信性，在一定程度上，提高了列级ADC在校验过程的鲁棒性。

3、理想情况下，判断单元可直接比较所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号。但由于电路设计、工艺设计等原因，列级ADC输出的所述待检数字信号可能存在一些固定差异。基于这些原因，发明人考虑对所述列级ADC进行一致性检查和校准检查，先将DAC单元和列级ADC进行校准，保证该工作机制的正确性，进一步提高了校正结果准确度和可信性。

本发明还提出ADC功能安全校验方法、CMOS图像传感器以及参考像素单元，与所述ADC功能安全校验装置属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。

附图说明

图1为本发明一实施例提出的ADC功能安全校验装置的原理框图；

图2为所述ADC功能安全校验装置应用在CMOS图像传感器中的结构示意图；

图3为图2中像素像素阵列的示意图；

图4为现有技术中常用的4T像素单元结构；

图5为本发明实施例提出的参考像素单元的结构；

图6为本发明另一实施例提出的一种ADC功能安全校验方法的流程示意图；

图7为本发明另一实施例提出的另一种ADC功能安全校验方法的流程示意图；

图8为参考像素阵列第一行的检测校准波形；

图9为参考像素阵列第二行的检测校准波形；

图10为参考像素阵列其余行ADC功能安全自检波形；

其中，图5中：TX-第一晶体管，RX-第二晶体管，SF-第三晶体管，SEL-第四晶体管，PD-感光二极管。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

符合ISO26262标准要求的车载芯片设计和传统的芯片设计具有很大的不同，体现在极高的可靠性要求。功能安全是芯片高可靠性要求之一。功能安全指芯片所定义的各种功能在出现功能丧失、性能偏差等失效情况下，能够被100％的检测到或自行恢复，并发出通知，提醒系统中的其它部件该芯片出现失效，以便系统可以进行异常处理，保障车辆的行驶安全。现有的非车载电子类CMOS图像传感器的芯片设计，通常采用最简化的列级ADC结构，以满足功耗、成本、性能的平衡，这类设计中，并没有考虑功能安全设计。基于此，本申请针对车载CMOS图像传感器的列级ADC，在传统设计架构的基础上，通过参考像素单元提供随机编码的参考电压。再通过数字比对电压参考值与实际ADC转化值的方法，在每帧图像数据采样之前，进行ADC功能失效的检测。当失效发生的时候，可以实时发现，并通知系统中其它组件，避免因该功能失效引起整个系统的失效。

请参考图1至图5，本发明实施例提出一种ADC功能安全校验装置，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验装置包括自检信号发生单元、DAC单元、参考像素单元以及判断单元。所述自检信号发生单元被配置为输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；所述DAC单元被配置为基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给参考像素单元；所述参考像素单元被配置为基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元；所述判断单元被配置为基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。其中，图1为所述ADC功能安全校验装置的原理框图，图2为所述ADC功能安全校验装置应用在CMOS图像传感器中的结构示意图。需要注意的是，所述自检信号发生单元可以独立于CMOS图像传感器的ISP(Image Signal Processor，图像信号处理器)存在，还可设置在ISP内部或外部或任意位置，在此不做限制，具体根据实际需要来选择。

与现有技术不同之处在于，本发明实施例提出的ADC功能安全校验装置，包括自检信号发生单元、DAC单元、参考像素单元以及判断单元，所述自检信号发生单单元用于输出ADC自检数字信号给所述DAC单元以及所述判断单元，所述DAC单元将所述ADC自检数字信号转换成模拟信号并发送给所述参考像素单元，所述参考像素单元输出对应的电压信号给CMOS图像传感器中的列级ADC，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元，最后，所述判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。传统的非车载电子类CMOS图像传感器的芯片设计，通常采用最简化的列级ADC结构，以满足功耗、成本、性能的平衡，传统的设计中，并没有考虑功能安全设计。本申请提出的所述ADC功能安全校验装置，在传统设计架构的基础上，通过参考像素单元提供的电压信号。再通过数字比对ADC自检数字信号与所述列级ADC转化的待检数字信号，在每帧图像数据采样之前，进行所述列级ADC功能失效的检测。当失效发生的时候，可以实时发现，通知系统中其它组件，避免因功能失效引起整个系统的失效。基于本申请提出的所述ADC功能安全校验装置可使CMOS图像传感器的芯片满足ISO26262的要求，在芯片测试环节，可利用所述ADC功能安全校验装置完成对所述列级ADC的功能安全的检测，排除存在功能失效的芯片流出的可能性。并且，在CMOS图像传感器的芯片使用过程中，也可通过所述ADC功能安全校验装置，以帧为单位，在所述列级ADC发生功能失效时，及时通知后级处理，避免因所述列级ADC功能失效导致车辆驾驶出现危险。

进一步地，所述自检信号发生单元可通过一些随机数生成算法输出ADC自检数字信号，例如，可通过伪随机m序列生成算法或golden序列生成算法生成ADC自检数字信号。由于ADC自检信号是随机产生的，无法进行芯片外干预，因此可以排除列级ADC的校验受到外界人为干扰的可能性，增加了安全性，提高了校正结果准确度和可信性，在一定程度上，提高了列级ADC在校验过程的鲁棒性。可以理解的是，所述自检信号发生单元还可利用其它类型的随机数生成算法输出ADC自检数字信号，在此不做限制。由于所述自检信号发生单元的目的是为了生成和所述列级ADC的列数相同的数字电平量，比如25，26，200，280，130，120，……，560，13这个序列，因此，一些可以生成随机数字序列的随机数发生器均可用于实现，在此不做限制。需要注意的是，所述自检信号发生单元除了可以利用自动生成随机数序列的方式生成所述ADC自检数字信号外，在其它实施例中还可利用其它的方式来生成所述ADC自检数字信号，例如，还可通过程序或算法控制生成具有一定排布规律的所述ADC自检数字信号或是可以通过技术人员手动输入所述ADC自检数字信号，还有很多其它类型的方式，在此不一一赘述。本领域技术人员应当理解的是，所述ADC自检数字信号应当在所述列级ADC的量程范围内，所述ADC自检数字信号按所述列级ADC的列地址的顺序，被所述DAC单元转化为模拟信号，连接到对应地址位置的参考像素单元的栅极上。

可选地，请参考图2和图3，所述参考像素单元的数量为多个，多个所述参考像素单元构成一参考像素阵列，所述参考像素阵列的列数与所述列级ADC的列数相同；所述模拟信号传输至所述参考像素阵列中的对应列中，所述电压信号传输至所述列级ADC的对应列中。所述参考像素单元的结构和正常像素单元不同，用于所述列级ADC的功能安全校验。所述参考像素单元以行为单位，可以按需要设置。本发明实施例中，所述参考像素阵列设置为4行，在其它实施例中可根据应用需求设置为更多或更少行，在此不做限制。

具体地，请参考图5，所述参考像素单元包括第一晶体管TX、第二晶体管RX、第三晶体管SF、第四晶体管SEL以及感光二极管PD。其中，所述第一晶体管TX的第一端与所述感光二极管PD的负极连接，所述第一晶体管TX的第二端与所述第二晶体管RX的第一端连接，所述第一晶体管TX的控制端、所述第二晶体管RX的控制端、所述第二晶体管RX的第二端以及所述第三晶体管SF的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管PD的正极接地。所述第三晶体管SF的控制端与所述DAC单元连接用以接受所述模拟信号，所述第三晶体管SF的第一端与所述第四晶体管SEL的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管SEL的第一端接地，所述第四晶体管SEL的控制端与一行选信号连接。

图4是现有技术中常用的4T像素单元结构，由感光二极管PDPD，TX、RST、SF和SEL四个晶体管构成。图5是本发明实施例提出的所述参考像素单元的结构。相较于普通的4T像素，所述参考像素单元的TX、RX管的栅极连接到VDD上，SF的栅极同TX、RX断开。通过SF的栅极可以灌入电平信号，取代现有技术中的PD的电荷信号。因此，可以通过对所述参考像素单元灌入已知的电平，检查该像素路径上所述列级ADC的转换结果是否符合预期。需要注意的是，为了便于说明和分析在本发明实施例中均以4T像素结构进行说明，这是由于4T是通用的像素结构。本领域技术人员可以理解的是，其它类型的像素结构如1.25T、2.5T、5T、6T、7T1C、8T等像素结构，均可通过本发明实施例所公开的方式进行列级ADC功能安全的校准设计，在此不一一赘述。

可选地，所述故障包括功能失效，其中，当所述待检数字信号与所述ADC自检数字信号的差值超出预设阈值范围时，所述判断单元判定所述列级ADC对应的列发生所述功能失效。譬如，某一列的ADC自检数字信号为1000，通过所述DAC单元转换电平得到的模拟信号的电平为1000mV，如果该列对应的ADC是正常工作的，那么通过所述列级ADC转换后得到待检数字信号就应该是1000，如果得到的待检数字信号是800，那么可以判断所述列级ADC发生了所述功能失效。可以理解的是，上述描述仅是为了便于理解本申请的技术方案，并非对本申请的限制，具体如何判断是否发生所述功能失效，可根据实际需要来选择合适的范围。

进一步地，发明人还发现在理想情况下，判断单元可直接比较所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号。但由于电路设计、工艺设计等原因，列级ADC输出的所述待检数字信号可能存在一些固定差异。基于这些原因，发明人考虑对所述列级ADC进行一致性检查和校准检查，先将DAC单元和列级ADC进行校准，保证该工作机制的正确性，进一步提高了校正结果准确度和可信性。

具体地，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行一致性检查，所述一致性检查包括：

所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等；

判断处在同一行的所述校准行中所有列的所述待检数字信号是否均相等；

若否，则判定所述列级ADC对应的列发生非一致性功能失效，并通过数字进行校准。

具体地，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行校准检查，所述校准检查包括：

基于所述列级ADC的转换精度，通过调整所述列级ADC的斜波发生器的速率以及斜坡信号的斜率以校准所述列级ADC的转换精度。

可选地，所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等，处在不同行的所述校准行的所述ADC自检数字信号的值不相等；

基于所述待检数字信号以及所述ADC自检数字信号获取所述列级ADC的转换精度。

可选地，请参考图1和图2，所述ADC功能安全校验装置还包括：功能失效寄存单元，其被配置为在所述列级ADC发生故障时，存储对应的列级ADC的故障状态。所述功能失效寄存单元优选为写状态寄存器。在出厂检测时，存在功能丧失的芯片将被直接废弃。同时，可将记录功能丧失状态写入所述写状态寄存器中，避免CMOS图像传感器芯片意外流出对整个系统安全构成威胁。用户使用CMOS图像传感器芯片时，查询所述写状态寄存器状态即可知道该CMOS图像传感器芯片是否为失效芯片。所述判断单元优选为比较器。

为了便于理解本申请的技术方案，以下以所述参考像素阵列为4行为例具体说明利用本发明提出的所述ADC功能安全校验装置对所述列级ADC进行功能安全自检流程。请继续参考图2和图3，当CMOS图像传感器的芯片上电后，开始采集一帧图像。图像采集从参考像素阵列开始，参考像素阵列的第一、二行被设置为校准行，其输出波形如图8和图9所示。所述自检信号发生单元在第一行和第二行位置产生每列均完全相同的固定电平。所述列级ADC的每一列ADC通过固定电平，完成校准和一致性检查。图8和图9是ADC校准信号的示意图。假设第一行ADC自检数字信号的数字量是D1为1000，通过所述DAC单元转换电平得到A1为1000mV，通过所述列级ADC转换后得到N1为950。第二行ADC自检数字信号的数字量是D2为10，通过所述DAC单元转换电平得到A2为10mV，通过所述列级ADC转换后得到N2为20。说明所述列级ADC在10mV～1000mV间，转换数值差是930。基于此可以进一步计算所述列级ADC的转换精度是(N1-N2)/(A1-A2)＝0.94DN/mV。若ADC的设计值是1DN/mV，则可根据设计值和实际精度之间的差异，自动计算，并通过调整ADC斜波发生器的速率和斜坡信号的斜率，控制并校准所述列级ADC的转换精度。通过校准后，得到N1’为1000，N2’为10。另外，理论上第一行和第二行，所述列级ADC每一列的转换结果应该一致，假设转换结果为N±△N，那么可以判断超过该范围的某列ADC存在非一致性的功能失效。如果该失效较小，第一行或第二行误差基本一致，则可将该非一致列，记录于CMOS图像传感器的SRAM(Static Random AccessMemory，静态随机存储器)或者OTP(One Timing Programmable，一次性可编程)中，后续通过数字进行校准。如果某些列在第一、二行校准时，误差不一致，出现完全无响应，或得到的结果完全不符合预期，或误差过大的行为，则判断所述列级ADC存在完全的功能丧失。如果出厂检测时，存在功能丧失的芯片可直接废弃或是返修后重检。同时，可将功能丧失状态记录写入OTP中，避免CMOS图像传感器芯片意外流出对整个系统安全构成威胁。用户使用CMOS图像传感器芯片时，查询OTP状态即可知道该CMOS图像传感器芯片是否为失效芯片。可以理解的是，只需要计算第一行和第二行的转换精度即可，后续的第三行、第四行等等均在是第一行和第二行的行校准后，用来测试是否完成校准的，不需要再计算转换精度。比如第一行、第二行计算得到的精度是0.94DN/mV后，将第三行和第四行设置到300mV，那么输出值应该是300mV*0.94DN±公差，如果在这个范围内，则判断ADC校准成功。需要注意的是，这里提到的“失效较小”以及“误差过大”是指失效程度，而失效程度是通过设置阈值来判断，若转换结果的δN在阈值内，则判定失效较小，否则判断失效较大或完全失效，可以设定多重阈值，判定失效的具体程度。

所述参考像素阵列的第三、四行可采用随机电平的方式，通过校准的所述列级ADC应该每列的转换结果和参考电平的数字量保持一致。若第三、四行的某些列，连续产生对比不通过的情况，则说明ADC发生功能失效。CMOS图像传感器可将失效状态记录于写状态寄存器中，并通过GPIO(General-purpose input/output，通用型之输入输出)的电平变化通知系统中其它芯片及时进行失效处理。当完成所述列级ADC的功能安全自检后，正常输出有效画幅。需要注意的是，在本发明实施例中，进行功能安全自检的参考像素阵列为四行，但并不局限于四行，可以根据需要增加或减少。比如通过前两行校准所述列级ADC的数据量太少的情况下，也可以增加参考像素行数。同时，通过提供参考像素单元固定的一些校准波形，还可以完成更加复杂的列级ADC校准功能。

基于同一发明构思，请参考图6和图7，本发明另一实施例提出一种ADC功能安全校验方法，利用所述ADC功能安全校验装置，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验方法包括以下步骤：

S1：自检信号发生单元输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；

S2：DAC单元基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给所述参考像素单元；

S3：参考像素单元基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元

S4：判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

图7为本发明另一实施例提出的另一种更为具体的ADC功能安全校验方法，具体为：当CMOS图像传感器的芯片上电后，开始采集一帧图像。图像采集从参考像素阵列开始，参考像素阵列的第一、二行被设置为校准行，其输出波形如图8和图9所示。所述自检信号发生单元在第一行和第二行位置产生每列均完全相同的固定电平。所述列级ADC的每一列ADC通过固定电平，完成校准和一致性检查。图8和图9是ADC校准信号的示意图。假设第一行ADC自检数字信号的数字量是D1为1000，通过所述DAC单元转换电平得到A1为1000mV，通过所述列级ADC转换后得到N1为950。第二行ADC自检数字信号的数字量是D2为10，通过所述DAC单元转换电平得到A2为10mV，通过所述列级ADC转换后得到N2为20。说明所述列级ADC在10mV～1000mV间，转换数值差是930。基于此可以进一步计算所述列级ADC的转换精度是(N1-N2)/(A1-A2)＝0.94DN/mV。若ADC的设计值是1DN/mV，则可根据设计值和实际精度之间的差异，自动计算，并通过调整ADC斜波发生器的速率和斜坡信号的斜率，控制并校准所述列级ADC的转换精度。通过校准后，得到N1’为1000，N2’为10。另外，理论上第一行和第二行，所述列级ADC每一列的转换结果应该一致，假设转换结果为N±△N，那么可以判断超过该范围的某列ADC存在非一致性的功能失效。如果该失效较小，第一行或第二行误差基本一致，则可将该非一致列，记录于CMOS图像传感器的SRAM(Static Random Access Memory，静态随机存储器)或者OTP(One Timing Programmable，一次性可编程)中，后续通过数字进行校准。如果某些列在第一、二行校准时，误差不一致，出现完全无响应，或得到的结果完全不符合预期，或误差过大的行为，则判断所述列级ADC存在完全的功能丧失。如果出厂检测时，存在功能丧失的芯片可直接废弃或是返修后重检。同时，可将功能丧失状态记录写入OTP中，避免CMOS图像传感器芯片意外流出对整个系统安全构成威胁。用户使用CMOS图像传感器芯片时，查询OTP状态即可知道该CMOS图像传感器芯片是否为失效芯片。所述参考像素阵列的第三、四行可采用随机电平的方式，通过校准的所述列级ADC应该每列的转换结果和参考电平的数字量保持一致。若第三、四行的某些列，连续产生对比不通过的情况，则说明ADC发生功能失效。CMOS图像传感器可将失效状态记录于写状态寄存器中，并通过GPIO(General-purpose input/output，通用型之输入输出)的电平变化通知系统中其它芯片及时进行失效处理。当完成所述列级ADC的功能安全自检后，正常输出有效画幅，图10为参考像素阵列其余行ADC功能安全自检波形。

基于同一发明构思，请参考图2，本发明还提出一种CMOS图像传感器，包括上述特征描述中任一项所述的ADC功能安全校验装置。图2是本发明的CMOS图像传感器的结构示意图，由像素阵列、行列选择控制单元(ROW SEL、COL SEL)、列级ADC、信号处理单元(NR，ISP)、时序控制和配置单元(CTRL&CFG)及IO单元构成。像素阵列包含N×M个像素排列，用于收集光电信号。行列控制单元通过行列选择，控制对应的像素将光电转换生成的电压信号传输到列级ADC，由ADC转换为数字信号，然后经过信号处理单元，由IO单元输出。时序控制和配置单元负责提供CMOS图像传感器芯片工作时序和配置参数。和传统的CMOS图像传感器不同的是，本发明的信号处理单元，除了处理ADC转化的光电信号，还存在一个自检信号发生单元。该单元可存在于ISP内部，按行和列地址，随机发生ADC自检数字信号。该数字信号被DAC转化为模拟电平，提供给模拟自检用的参考阵列，ADC转换该阵列的值，和ADC自检信号发生单元的理论值进行比对，以此判断ADC是否发生功能失效。

基于同一发明构思，请参考图5，本发明还提出一种参考像素单元，包括第一晶体管TX、第二晶体管RX、第三晶体管SF、第四晶体管SEL以及感光二极管PD；

其中，所述第一晶体管TX的第一端与所述感光二极管PD的负极连接，所述第一晶体管TX的第二端与所述第二晶体管RX的第一端连接，所述第一晶体管TX的控制端、所述第二晶体管RX的控制端、所述第二晶体管RX的第二端以及所述第三晶体管SF的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管PD的正极接地；

所述第三晶体管SF的控制端与DAC单元连接用以接受模拟信号，所述第三晶体管SF的第一端与所述第四晶体管SEL的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管SEL的第一端接地，所述第四晶体管SEL的控制端与一行选信号连接。本领域技术人员可以理解的是，所述第一晶体管TX、所述第二晶体管RX、所述第三晶体管SF以及所述第四晶体管SEL可为NMOS管还可为PMOS管，在此不做限制，具体可根据实际需要来选择。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的ADC功能安全校验装置，包括自检信号发生单元、DAC单元、参考像素单元以及判断单元，所述自检信号发生单单元用于输出ADC自检数字信号给所述DAC单元以及所述判断单元，所述DAC单元将所述ADC自检数字信号转换成模拟信号并发送给所述参考像素单元，所述参考像素单元输出对应的电压信号给CMOS图像传感器中的列级ADC，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元，最后，所述判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。传统的非车载电子类CMOS图像传感器的芯片设计，通常采用最简化的列级ADC结构，以满足功耗、成本、性能的平衡，传统的设计中，并没有考虑功能安全设计。本申请提出的所述ADC功能安全校验装置，在传统设计架构的基础上，通过参考像素单元提供的电压信号。再通过数字比对ADC自检数字信号与所述列级ADC转化的待检数字信号，在每帧图像数据采样之前，进行所述列级ADC功能失效的检测。当失效发生的时候，可以实时发现，通知系统中其它组件，避免因该功能失效引起整个系统的失效。基于本申请提出的所述ADC功能安全校验装置可使CMOS图像传感器的芯片满足ISO26262的要求，在芯片测试环节，可利用所述ADC功能安全校验装置完成对所述列级ADC的功能安全的检测，排除存在功能失效的芯片流出的可能性。并且，在CMOS图像传感器的芯片使用过程中，也可通过所述ADC功能安全校验装置，以帧为单位，在所述列级ADC发生功能失效时，及时通知后级处理，避免因所述列级ADC功能失效导致车辆驾驶出现危险。

2、所述自检信号发生单元可通过一些随机数生成算法输出ADC自检数字信号，例如，可通过伪随机m序列生成算法或golden序列生成算法生成ADC自检数字信号。由于ADC自检信号是随机产生的，无法进行芯片外干预，因此可以排除列级ADC的校验受到外界人为干扰的可能性，增加了安全性，提高了校正结果准确度和可信性，在一定程度上，提高了列级ADC在校验过程的鲁棒性。

3、理想情况下，判断单元可直接比较所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号。但由于电路设计、工艺设计等原因，列级ADC输出的所述待检数字信号可能存在一些固定差异。基于这些原因，发明人考虑对所述列级ADC进行一致性检查和校准检查，先将DAC单元和列级ADC进行校准，保证该工作机制的正确性，进一步提高了校正结果准确度和可信性。

本发明还提出ADC功能安全校验方法、CMOS图像传感器以及参考像素单元，与所述ADC功能安全校验装置属于同一发明构思，因此具有相同的有益效果。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种ADC功能安全校验装置，其特征在于，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验装置包括：

自检信号发生单元，其被配置为输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；

DAC单元，其被配置为基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给参考像素单元；

参考像素单元，其被配置为基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元；

判断单元，其被配置为基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

2.如权利要求1所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述自检信号发生单元通过随机数生成算法输出ADC自检数字信号。

3.如权利要求2所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述随机数生成算法包括伪随机m序列生成算法或golden序列生成算法。

4.如权利要求1所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述参考像素单元的数量为多个，多个所述参考像素单元构成一参考像素阵列，所述参考像素阵列的列数与所述列级ADC的列数相同；

所述模拟信号传输至所述参考像素阵列中的对应列中，所述电压信号传输至所述列级ADC的对应列中。

5.如权利要求4所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述列级ADC的故障包括功能失效；

其中，当所述待检数字信号与所述ADC自检数字信号的差值超出预设阈值范围时，所述判断单元判定所述列级ADC对应的列发生所述功能失效。

6.如权利要求4所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行一致性检查，所述一致性检查包括：

所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等；

判断处在同一行的所述校准行中所有列的所述待检数字信号是否均相等；

若否，则判定所述列级ADC对应的列发生非一致性功能失效，并通过数字进行校准。

7.如权利要求4所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述功能安全校验还包括对所述列级ADC进行校准检查，所述校准检查包括：

基于所述列级ADC的转换精度，通过调整所述列级ADC的斜波发生器的速率以及斜坡信号的斜率以校准所述列级ADC的转换精度。

8.如权利要求7所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述参考像素阵列的若干行为校准行，所述自检信号发生单元给所述校准行中每一行均发送所述ADC自检数字信号，其中，处在同一行的所述校准行中所有列的所述ADC自检数字信号的值相等，处在不同行的所述校准行的所述ADC自检数字信号的值不相等；

基于所述待检数字信号以及所述ADC自检数字信号获取所述列级ADC的转换精度。

9.如权利要求1所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，还包括：

功能失效寄存单元，其被配置为在所述列级ADC发生故障时，存储对应的列级ADC的故障状态。

10.如权利要求1所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述参考像素单元包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管以及感光二极管；

其中，所述第一晶体管的第一端与所述感光二极管的负极连接，所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第一端连接，所述第一晶体管的控制端、所述第二晶体管的控制端、所述第二晶体管的第二端以及所述第三晶体管的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管的正极接地；

所述第三晶体管的控制端与所述DAC单元连接用以接受所述模拟信号，所述第三晶体管的第一端与所述第四晶体管的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管的第一端接地，所述第四晶体管的控制端与一行选信号连接。

11.如权利要求1所述的ADC功能安全校验装置，其特征在于，所述判断单元包括比较器。

12.一种ADC功能安全校验方法，其特征在于，用于CMOS图像传感器中的列级ADC的功能安全校验，所述ADC功能安全校验方法包括以下步骤：

自检信号发生单元输出ADC自检数字信号给DAC单元以及判断单元；

DAC单元基于所述ADC自检数字信号输出模拟信号，并输出所述模拟信号给所述参考像素单元；

参考像素单元基于所述模拟信号输出对应的电压信号，所述电压信号传输至所述列级ADC中，所述列级ADC输出待检数字信号给所述判断单元；

判断单元基于所述ADC自检数字信号和所述待检数字信号判断所述列级ADC是否发生故障。

13.一种CMOS图像传感器，其特征在于，包括如权利要求1-11中任一项所述的ADC功能安全校验装置。

14.一种参考像素单元，其特征在于，包括第一晶体管、第二晶体管、第三晶体管、第四晶体管以及感光二极管；

其中，所述第一晶体管的第一端与所述感光二极管的负极连接，所述第一晶体管的第二端与所述第二晶体管的第一端连接，所述第一晶体管的控制端、所述第二晶体管的控制端、所述第二晶体管的第二端以及所述第三晶体管的第二端均连接至第一电源，所述感光二极管的正极接地；

所述第三晶体管的控制端与DAC单元连接用以接受模拟信号，所述第三晶体管的第一端与所述第四晶体管的第二端连接并作为所述参考像素单元的输出端，所述第四晶体管的第一端接地，所述第四晶体管的控制端与一行选信号连接。

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