CN115166697A - 一种适用于spad面阵阵列的事件驱动型读出架构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构。其包括SPAD探测器阵列、地址数据产生电路、事件标识电路和数据读出电路；SPAD探测器阵列用于探测光子并产生时间数据；地址数据产生电路用于对一帧中每个像素的时间数据进行寻址产生地址选择信号，并记录当前地址信息产生地址数据；事件标识电路产生事件标识位，用于判断当前像素在一个探测周期内是否探测到光子，并为数据读出电路提供是否读取当前时间数据的判断依据；数据读出电路依据事件标识位判断结果，对当前时间数据进行舍弃或读出，且读出过程中将地址数据与时间数据组合输出。本发明的架构具备数据筛选和处理功能，能较大程度减少无效数据输出，提升有效数据传输带宽。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，可广泛应用于激光雷达SPAD芯片领域。
背景技术
基于单光子雪崩二极管(SPAD)面阵三维成像的固态激光雷达具有成像分辨率高、抗干扰性强、体积小、重量轻等优势，近年来受到了广泛关注。SPAD面阵阵列芯片广泛采用时钟驱动型读出架构。在时钟驱动型读出架构中，每个像素由独立的SPAD探测器和TDC电路构成，SPAD探测器工作的门限控制、TDC电路的计时功能以及数据的缓存读出均按照固定的时序进行，每个像素产生的数据均由周期性的同步信号驱动读出，读出的数据存在严格的帧频概念，即每读完一次面阵的完整数据记为一帧图像。时钟驱动型读出架构中，由于每帧数据的读出都需要遍历整个芯片阵列，所以数据的空间坐标信息可以先验的通过数据输出顺序获得，但无论单帧探测到多少个光子，均将整个阵列的数据进行读出，因此在探测得点率较低的情况下，读出数据中存在较多的无效数据。而实际工作中，SPAD探测器通常处于低照度条件下，因此每帧数据中存在较多没有产生光子触发的无效数据。
综上，针对SPAD面阵读出数据中存在过多无效数据的问题，亟需一种适用于SPAD面阵的事件驱动型读出架构，在兼容时钟驱动型读出电路的同时，减少读出数据量，提升有效数据传输带宽，实现三维图像高效的处理和还原。
发明内容
本发明针对现有SPAD面阵阵列时钟驱动型读出架构中存在读出过多无效数据的问题，提出一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构。
本发明采用的技术方案为：
一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，包括SPAD探测器阵列、地址数据产生电路、事件标识电路以及数据读出电路；所述SPAD探测器阵列用于探测光子并产生时间数据，一帧时间数据中包括记录光子飞行时间的有效数据和未被光子触发产生的无效数据；所述地址数据产生电路用于对一帧中每个像素的时间数据进行寻址产生地址选择信号，并且记录当前地址信息产生地址数据；所述事件标识电路产生事件标识位，用于判断当前像素在一个探测周期内是否探测到光子，并为数据读出电路提供是否读取当前时间数据的判断依据；所述数据读出电路依据事件标识位判断结果，对当前时间数据进行舍弃或者读出，且读出过程中将地址数据与时间数据组合输出。
进一步地，所述事件标识电路采用D触发器，D触发器的数据输入端接高电平，触发输入端接SPAD探测器阵列的脉冲输出端，复位端接复位信号，输出端输出事件标识位；所述事件标识位由SPAD探测器阵列的脉冲输出端信号决定，当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，控制所述D触发器输出事件标识位为“1”；当SPAD探测器阵列未探测到光子时，其脉冲输出端无脉冲信号输出，所述D触发器输出事件标识位为“0”。
进一步地，所述事件标识电路包括电容、电阻与MOS管，电容一端接电阻到地，另一端同时串联第一MOS管的源漏到电源、串联第二MOS管的源漏到地，作为事件标识位输出，第一MOS管的栅极接SPAD探测器阵列的脉冲输出端，第二MOS管的栅极接复位信号；复位信号持续一段时间高电平，开启第二MOS管，将事件标识位置为“0”，当SPAD探测器阵列未探测到光子数，其脉冲输出端无脉冲信号输出，事件标识位始终为“0”；当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，开启第一MOS管，将电容充电至高电平，事件标识位为“1”。
进一步地，所述事件标识电路采用第一FPGA芯片，所述第一FPGA芯片用于比较SPAD探测器阵列单元中的时间数据与设定的阈值数据，判断当前时间数据是否为有效时间数据，若为有效时间数据输出事件标识位“1”，反之输出事件标识位“0”。
进一步地，所述地址数据产生电路包括移位寄存器和计数器，其中，地址脉冲信号驱动移位寄存器作移位操作，产生地址选择信号，计数器记录地址脉冲信号个数，产生地址数据。
进一步地，所述地址数据产生电路采用地址译码电路，所述地址译码电路产生地址选择信号，同时记录产生地址数据。
进一步地，所述地址数据产生电路采用第二FPGA芯片，所述第二FPGA芯片产生地址选择信号和地址数据。
本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构具备数据筛选和处理功能，能较大程度减少无效数据输出，提升有效数据传输带宽，且单帧无效数据占比越高，有效数据传输带宽提升越高。本发明能在兼容时钟驱动型读出电路的同时，实现三维图像高效的处理和还原。
附图说明
图1是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构示意图。
图2是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构的数据传输方式示意图。
图3是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中事件标识电路示意图。
图4是本发明提出的事件标识电路工作时序图。
图5是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中又一种事件标识电路示意图。
图6是本发明提出的又一种事件标识电路工作时序图。
图7是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中地址数据产生电路示意图。
图8是本发明提出的地址数据产生电路中移位寄存器作为行、列选址电路的示意图。
图9是本发明提出的地址数据产生电路中移位寄存器作为行、列选址电路的工作时序图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，不用于限制本发明。
图1是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构示意图，包括SPAD探测器阵列、地址数据产生电路、事件标识电路以及数据读出电路。所述SPAD探测器阵列用于探测光子并产生时间数据，一帧时间数据中包含记录光子飞行时间的有效数据和未被光子触发产生的无效数据。所述地址数据产生电路包括行、列选址电路与地址计数器，行、列选址电路用于对一帧中每个像素的时间数据进行寻址，地址计数器用于产生地址数据记录当前地址信息。所述事件标识电路产生事件标识位，用于判断当前像素在一个探测周期内是否探测到光子，并为数据读出电路提供是否读取当前时间数据的判断依据，当SPAD探测器阵列探测到光子时，事件标识电路输出事件标识位为“1”，当SPAD探测器阵列未探测到光子时，事件标识电路输出事件标识位为“0”；所述数据读出电路依据事件标识位判断结果，对当前时间数据进行舍弃或者读出，事件标识位为“0”时，舍弃当前时间数据，事件标识位为“1”时，读出当前时间数据，且读出过程中将地址数据与时间数据组合输出。
图2是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构的数据传输方式示意图。时间数据由SPAD探测器阵列产生，一帧时间数据以面阵形式排布，包含记录光子飞行时间的有效数据(图中用非“0”示意)和未被光子触发产生的无效数据(图中用“0”示意)。行、列选址电路对一帧中每个像素进行寻址，地址计数器记录地址脉冲信号个数产生代表当前像素位置信息的地址数据；事件标识位由事件标识电路产生，用于判断当前像素在一个探测周期内是否探测到光子，并为数据读出电路提供是否读取当前像素的时间数据的判断依据。当前地址下事件标识位为“1”时，表示当前像素在一个探测周期内已探测到光子，时间数据为有效数据；此时，读出电路将当前地址数据与时间数据组合读出。当前地址下事件标识位为“0”时，表示当前像素在一个探测周期内未探测到光子，时间数据为无效数据；此时，读出电路将当前时间数据舍弃，不读出任何数据。
图3是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中事件标识电路示意图。D触发器数据输入接高电平，触发输入端接SPAD探测器阵列脉冲输出端，复位端接复位信号，输出端输出事件标识位。事件标识位由SPAD探测器阵列脉冲输出端信号决定，当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，控制D触发器输出事件标识位为“1”；当SPAD探测器阵列未探测到光子时，其脉冲输出端无脉冲信号输出，D触发器输出事件标识位为“0”。每个探测周期开始时，复位端输入脉冲信号，复位D触发器输出“0”。
图4是本发明提出的事件标识电路工作时序图。事件标识电路复位信号RESETN输入为低电平时，复位事件标识位EVENT为“0”，事件标识电路复位信号RESETN为高电平时，事件标识位EVENT保持当前状态；第一个复位信号RESETN负脉冲到来，EVENT置“0”，两个复位信号RESETN负脉冲之间时间间隔为一个探测周期。一个探测周期内SPAD探测器阵列输出脉冲信号PLUSE到来，事件标识位EVENT置“1”，若没有SPAD探测器阵列输出脉冲信号PLUSE到来，事件标识位EVENT一直保持“0”。第二个复位信号RESETN负脉冲到来，开始下一探测周期。
图5是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中又一种事件标识电路示意图。电容一端接电阻到地，另一端同时串联第一MOS管的源漏到电源、串联第二MOS管的源漏到地、作为事件标识位输出，第一MOS管的栅极接SPAD脉冲输出端，第二MOS管的栅极接复位信号。复位信号持续一段时间高电平，开启第二MOS管，将事件标识位置为“0”；当SPAD探测器阵列未探测到光子数，其脉冲输出端无脉冲信号输出，事件标识位始终为“0”；当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，开启第一MOS管，将电容充电至高电平，事件标识位为“1”。
图6是本发明提出的又一种事件标识电路工作时序图。事件标识电路复位信号RESET为高电平时，复位事件标识位EVENT为“0”，事件标识电路复位信号RESET为低电平时，事件标识位EVENT保持当前状态；第一个复位信号RESET脉冲到来，EVENT置“0”，两个复位信号RESET脉冲之间时间间隔为一个探测周期。一个探测周期内SPAD探测器阵列输出脉冲信号PLUSE到来，事件标识位EVENT置“1”，若没有SPAD探测器阵列输出脉冲信号PLUSE到来，事件标识位EVENT一直保持“0”。第二个复位信号RESET脉冲到来，开始下一探测周期。
图7是本发明提出的适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构中地址数据产生电路示意图。地址脉冲信号AD_PLUS同时输入移位寄存器和计数器，移位寄存器作为行、列选址电路，计数器作为地址计数器，地址脉冲信号驱动移位寄存器作移位操作，产生地址选择信号；计数器记录地址脉冲信号个数，产生地址数据。
图8是本发明提出的地址数据产生电路中移位寄存器作为行、列选址电路的示意图。D触发器数据输入端和输出端首尾连接构成一组移位寄存器。第一级D触发器置位端接复位信号，其余D触发器复位端接复位信号，D触发器输出端输出地址选择信号Q0、Q1、Q2、Q3。当复位脉冲信号N_RESET负脉冲到达时，第一级D触发器输出端被置为“1”，其余D触发器输出端被复位为“0”，地址脉冲信号AD_PLUS信号输入D触发器触发端，地址选择信号Q0、Q1、Q2、Q3依次置为“1”，从而实现行列地址的选择。
图9是本发明提出的地址数据产生电路中移位寄存器作为行、列选址电路的工作时序图。该移位寄存器为上升沿触发，当复位脉冲信号N_RESET负脉冲到达时，第一级D触发器输出端被置为“1”，其余D触发器输出端被复位为“0”。D触发器输出端输出地址选择信号Q0、Q1、Q2、Q3，地址脉冲信号AD_PLUS信号输入D触发器触发端，地址选择信号Q0、Q1、Q2、Q3依次置为“1”，从而实现行列地址的选择。
Claims (7)
1.一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，包括SPAD探测器阵列、地址数据产生电路、事件标识电路以及数据读出电路；所述SPAD探测器阵列用于探测光子并产生时间数据，一帧时间数据中包括记录光子飞行时间的有效数据和未被光子触发产生的无效数据；所述地址数据产生电路用于对一帧中每个像素的时间数据进行寻址产生地址选择信号，并且记录当前地址信息产生地址数据；所述事件标识电路产生事件标识位，用于判断当前像素在一个探测周期内是否探测到光子，并为数据读出电路提供是否读取当前时间数据的判断依据；所述数据读出电路依据事件标识位判断结果，对当前时间数据进行舍弃或者读出，且读出过程中将地址数据与时间数据组合输出。
2.根据权利要求1所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述事件标识电路采用D触发器，D触发器的数据输入端接高电平，触发输入端接SPAD探测器阵列的脉冲输出端，复位端接复位信号，输出端输出事件标识位；所述事件标识位由SPAD探测器阵列的脉冲输出端信号决定，当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，控制所述D触发器输出事件标识位为“1”；当SPAD探测器阵列未探测到光子时，其脉冲输出端无脉冲信号输出，所述D触发器输出事件标识位为“0”。
3.根据权利要求1所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述事件标识电路包括电容、电阻与MOS管，电容一端接电阻到地，另一端同时串联第一MOS管的源漏到电源、串联第二MOS管的源漏到地，作为事件标识位输出，第一MOS管的栅极接SPAD探测器阵列的脉冲输出端，第二MOS管的栅极接复位信号；复位信号持续一段时间高电平，开启第二MOS管，将事件标识位置为“0”，当SPAD探测器阵列未探测到光子数，其脉冲输出端无脉冲信号输出，事件标识位始终为“0”；当SPAD探测器阵列探测到光子时，其脉冲输出端输出脉冲信号，开启第一MOS管，将电容充电至高电平，事件标识位为“1”。
4.根据权利要求1所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述事件标识电路采用第一FPGA芯片，所述第一FPGA芯片用于比较SPAD探测器阵列单元中的时间数据与设定的阈值数据，判断当前时间数据是否为有效时间数据，若为有效时间数据输出事件标识位“1”，反之输出事件标识位“0”。
5.根据权利要求1至4之一所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述地址数据产生电路包括移位寄存器和计数器，其中，地址脉冲信号驱动移位寄存器作移位操作，产生地址选择信号，计数器记录地址脉冲信号个数，产生地址数据。
6.根据权利要求1至4之一所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述地址数据产生电路采用地址译码电路，所述地址译码电路产生地址选择信号，同时记录产生地址数据。
7.根据权利要求1至4之一所述的一种适用于SPAD面阵阵列的事件驱动型读出架构，其特征在于，所述地址数据产生电路采用第二FPGA芯片，所述第二FPGA芯片产生地址选择信号和地址数据。
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