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无线电电子与电气工程百科全书 动态存储芯片 DRAM - 作为摄像机。 无线电电子与电气工程百科全书
将图像输入计算机并以一种或另一种方式进行进一步的数字处理需要相当大的投资。 这里最昂贵的设备也许是摄像机，计算机从中读取、存储和数字化信号。 最昂贵但就质量而言最好的捕获图像的方法是将消费类摄像机的输出信号数字化。 但与此同时，这里的电路成本仍然很高。 由于它需要高速数模转换器、高速存储设备和与个人计算机的适当接口。 对于业余实验来说，这是一条相当昂贵的路径。 带有计算机接口的电视传输摄像机太贵了，会大大降低无线电业余爱好者的预算。 摆脱这种情况的方法是非常规地使用动态存储晶体。 事实证明，DRAM 可以用作灵敏的光学传感器。 几年前，Micron Technology（一家美国单晶集成电路制造商）发布了带有控制窗口的特殊版本 64k-DRAMS，作为图像传感器出售。 由于微电路中晶体的几何形状是已知的，因此可以通过一些努力来制造摄像机。 不幸的是，这些芯片不再销售，这成为了计算机相机诞生的障碍。 然而，我拆解了一块带有DRAMS内存芯片的电脑板，它有一个带金属盖的陶瓷外壳。 我很快就取下了金属盖，下面是一块保护玻璃。 接下来做什么？ 为了成功地继续实验，决定使用最适合输入/输出信息的个人计算机的并行端口。 编写了两个小型汇编程序用于控制。 而且 - 哦，一个奇迹！ - 经过多次测试，可以在计算机显示屏上看到某种图像。 它是如何工作的？ 64k-DRAM 包含 65536 个存储单元，这些存储单元按常规访问矩阵排列。 在本例中，我们使用了 NEC 的 D4164 芯片，它是四个 64x256 存储单元矩阵。 每个存储单元由一个电容器和互补晶体管组成。 电容器以电荷的形式存储信息。 互补晶体管访问（开关）这个电容器。
如果选择矩阵的一行，则依次切换该行的所有 256 个互补晶体管，将所需的电容器（单元）连接到 256 个放大器之一。 如果放大器中的电压高于某个电平，则假定这是逻辑 1，否则放大器的输出将是逻辑 0。通过计算该行中的 256 个放大器之一（即选择列地址），我们在输出 DRAM 中选择所需的信号。 由于存储芯片上的电容器会泄漏（缓慢但不可避免地放电），因此必须不断地再生（再充电）它们才能不丢失其信息。 如果它们停止再生，一段时间后电容器单元中的电荷将消失，相应的位将被翻转。 通过照亮（暴露）电容器，这种效果会得到增强，电容器会放电得更快，结果会翻转一些信息。 电容器的放电时间将是该存储单元中光强度的主要值。 要使用此效果，需要执行以下步骤： - 首先，所有存储电容器都已充电。 - 然后，在一段时间内，存储单元被照射。 - 询问和分析所有记忆细胞。 查看每个电池（光电池）的初始状态的反转，这将被视为耀斑。 DRAM是内存芯片，所以逻辑地址分配必须与芯片上的物理位置相匹配。 要找出这种分布，有必要进行多次测试。 在 DRAM 芯片中，其单元地址由两个部分组成 - 行地址和列地址，可以假设它们在晶体的物理结构中以相同的方式定位。 事实证明，事实确实如此，即逻辑行地址对应物理行；逻辑列地址对应物理列。 当然，一行中的逻辑地址不对应于单晶集成电路上存储单元中的物理位置。 在处理后的图像中，重新排列的行和列可以看到这种错误分布。 重新排列地址的位可以消除这个缺陷，但是，尽管如此，这里仍然需要一种实验方法。 各个厂家的单晶上集成电路的几何形状可能不同。 因此，控制程序只能与 NEC 类型 4164 芯片一起正常运行。 对于其他存储芯片，可能会出现错误，但知道控制原理，就可以修正结果。 现在很明显，我们的单晶集成电路由四个并排排列的矩阵组成。 两个极端矩阵与两个中间矩阵相隔较大的间隙； 这会在图像中引入一些错误。 在这些差距中可能是解码逻辑。 两个中间矩阵被一个小得多的间隙隔开，因此它们可以被看作是一个 128x256 矩阵。 在此基础上，只用两个中间矩阵作为传感器。 通过放大镜观察微电路可以清楚地定义晶体的矩阵结构。
现在你需要准确地对焦镜头。 仔细检查后，令人惊讶的是仍有几行和几列重新排列。 两行显示正确，接下来的两行相互交换。 读取单元格内容的操作纠正了这个缺陷。 然后再对列的地址进行一次更正，其中四个读对了，另外四个顺序错了。 建立正确的分布并不总是那么容易，因为它需要坚固的集成光学器件和非常精确的图像聚焦。 只有分布正确，图案才能清晰可见！ 最好从放置和移动深色物体的白色表面开始测试。 仔细观察、镜头精确聚焦和一定的耐心将有助于识别粗大的故障（不匹配），然后揭示单晶上集成电路的特征。 在黑线的帮助下识别出严重的不准确性，将其定位在晶体上并加以控制。 要使用个人计算机的并行端口连接 DRAM 芯片，需要进行一些修改。 打印机端口包含并联电容和等效串联电阻，可平滑时钟信号的快速边沿； 在这种情况下我们不需要这些元素，因此应该删除它们。
在典型的高度集成板中，各个模块通过 CMOS 输出直接连接到低负载总线上的打印机端口，因此必须有一个双向缓冲驱动器。 现在，使用电缆将并行端口连接到将安装 DRAM 芯片的插槽。 该面板的插座必须具有良好的接触（最好是镀金的）并且能够承受反复更换，因为您必须选择必要的微电路。 还需要为微电路带一个单独的电源插座，因为这里不能使用LPT端口输出的电压。 但是，打印机现在无法连接到那里！ DRAM 的 8 脚和 16 脚之间的去耦电容也很重要，因为在打开时会有相当大的电流（大约 100 毫安）流过那里。 该电容器直接焊接到 IC 的插座上（注意极性！引脚 8 为 +5 伏，引脚 16 接地）。 没有这个电容什么都做不了！ 集成光学的机械设计 如果我们拒绝这两个极端矩阵，NEC 4164 芯片芯片的有用面积约为 1,2x6 平方毫米。 必须根据这一事实实施和选择集成光学器件。 8mm 镜头相当于小画幅相机中的 50mm 标准镜头。 还考虑了焦距为 5 至 35 mm 的镜头。 这种光学器件在进一步使用时会收回成本。 我们使用上述超 8 相机镜头（焦距 f = 25mm）。 最好使用短焦镜头，例如来自旧薄膜相机、有缺陷的消费类电视摄像机等的镜头。 在委托照相馆和照相馆，我希望能为您提供合适的镜头。 但即使没有高质量的镜头，使用简单的短焦镜头也能获得良好的效果。 来自镜头的图像质量不应低于从镜头接收到的图像。 毕竟，您是将图像投影到微电路芯片上，它不像胶片那样支持高分辨率。 由于透镜的选择范围很大且安装在芯片前，我们无法在此给出光学系统的放置和设计的标准解决方案。 只需要注意集成光学器件的精确定心，以便图像准确地聚焦在晶体上。 感光度 单晶上的集成电路不提供高感光度，因此晶体曝光时间比真正的 CCD 摄像机长。 固定物体的移动速度取决于光照，范围从数百秒到 20 秒不等。 更长的时间是不可能的，否则图像会非常“嘈杂”（模糊）。 在这段相当长的曝光时间里，建议为您的设计准备一个三脚架。 此外，您的双手应该可以自由操作计算机键盘并记录成功的图像来校正曝光时间。 值得注意的是，DRAM 芯片晶体对光学范围的红色光谱比对蓝色光谱更敏感，它可能在红外（不可见）辐射光谱中具有良好的光谱灵敏度。 Программноеобеспечение 内存芯片的初始化和读取是由插入 Turbo-Pascal 程序的汇编程序完成的。 初始化 INITRAM 程序初始化集成电路。 由于 NEC 4164 芯片的存储单元中电荷的存在对应于逻辑“1”，因此“1”被预写入所有单元中。 需要许多复杂的时钟信号来控制 DRAM 芯片。
首先，行地址计数器设置在微电路的地址输入端。 在这种情况下，RAS 输入将被设置为“0”——允许设置线路地址。 接下来，给出列地址，将 Din 输入设置为所需值（在我们的例子中，所有单元都设置为“1”），然后将 CAS 输入设置为“0”。 DRAM 现在已经接收到列地址和数据位。 对所有 32768 个记忆重复此过程； 现在 DRAM 芯片已初始化，所有电容器都已充电（写为“1”）。 然后经过一段时间，芯片存储晶体被照射。 当这个时间到期时，从存储单元中读取信息，而突出显示的单元将改变它们的状态（被照亮的电容器将更快地放电）。 阅读资料 从存储晶体中读取信息是由 LESERAM 程序执行的。 这将以与 INITRAM 过程中相同的方式发生。 每个存储单元的内容将被存储以便转换成图像。 在这种情况下，本地错误得到纠正。 相应地，每8位组合成字节。 创建图像需要 4096 字节，因为只使用了一半的内存芯片。 该数据随后将传递给主程序。 校正程序均衡各个像素的不同灵敏度。 （传感器边缘的存储单元比中心区域更敏感。） 由于两个中间矩阵之间有一个小间隙（对于 NEC 4164！），还有第二个校正程序。 它将图像的两半拉开 5 个像素，并合理地填充由此产生的间隙。 在某些情况下，放弃这种校正或改进处理算法更为合理。 “曝光”程序中包含三个程序 INITRAM（初始化）、LESERAM（读取）和校正，它们是创建照射矩阵和记录图像信息的时间间隔所必需的。 “ANZEIGE”（指示）程序用于快速显示来自 VGA 卡的图像。 在这种情况下，有关图像的信息直接输入到视频内存中，这大大加快了结果的速度。 不幸的是，各个存储单元的垂直距离加倍，这可以通过显示程序中的补偿程序来解释。 如果使用其他显示适配器，则可能需要调整此例程。 程序“SPEICHERN”(Write)和“LESEN”(Read)分别以BMP格式写入和保存图像并转储到硬盘上。 其他课程 上面讨论的程序被其他应用程序使用。 “KUCKUCK”程序是最重要的； 它记录单个图像以及具有 2、4 或 10 个亮度级别的系列图像。 当前图像始终显示在监视器上，可以使用空格键进行记录。 原则上，相机当然只能拍摄 2 级（黑色和白色）的图像，但是，可以重复曝光具有半色调（灰度）的图像。
半色调图像的单次曝光按顺序写入文件（“.3”和相应的“.9”），然后转换为程序“Grau3”、“Grau4”和“Dither”进行进一步处理：“Grau3”产生 3 次单次曝光具有 4 个亮度级别的位图。 （每像素信息 4 位，同时仅使用颜色 0、7、8 和 15，分别使用黑色、浅灰色、深灰色和白色级别。为了快速在屏幕上处理半色调图像，需要另一种转换：程序“Grau4”以与“Grau3”相同的方式转换相同的输入数据，但格式不同。 “.9”文件的九次单次曝光通过“抖动”程序转换为黑白图像（分别为原始图像宽度和高度的 3 倍）。 作为曝光的结果，每个点的九张图像中的每个像素都将创建一个 3x3 像素的随机分布矩阵。 程序“FilmAb”（视频剪辑）用于查看创建的图像序列，这些图像序列又由程序“KUCKUCK”创建。 这样，可以创建具有 2 或 4 个亮度级别的短“视频剪辑”，并且可以按任意顺序选择观看顺序。 由于 128x256 像素的格式非常大，尤其是行的长度是列的两倍，因此可以使用分辨率为 128x128 像素的“半格式”。 首先，在执行程序“FilmAb”（视频剪辑）时，需要合理加载该选项，以节省磁盘空间。 生成的单个图像可以由 Windows 程序（如 Paintbrush）处理。 个别程序和程序列表： - VIDEO.INC 包含高级程序： - INITRAM、INITRAM2：分别以全格式和半格式初始化 D4164 芯片。 - LESERAM、LESERAM2：读取图像信息。 - ANZEIGE：快速输入到 VGA 卡。 - LESEN：具有 2 种颜色、128x256 和 128x128 像素的位图文件。 - SPEICHERN：位图数据，读取格式 - KUCKUCK：以两种格式录制 - 2、4 或 10 个亮度级别。 - GRAU3：从 4 次单次曝光（“.3”->“.BMP”）生成一个 3 色 BMP 文件。 - GRAU4：生成带有 4 位 VGA 卡信息的数据 (".3" -> ".4")。 - DITHER：9 幅彩色图像（“.2” -> “.BMP”）由 9 次单次曝光创建。 - FILMAB：将 2 或 4 个彩色位图合并到电影中（给定名称：“name.BMP”）。 参考文献： - Datenblatt IS 32 光学公羊，美光科技 文件中的一组原始文档 kuckuck.zip (283 KB) 译者注 从文件的创建日期来看，这项工作是在 1992 年编写的，当时即使是 486 台计算机也是一件非常酷的事情。 您可能需要针对现代 PC 调整软件。 结果可能不需要修改计算机的并行端口（我不想丢失我的打印机:-)。 至于使用的微电路： - 显然NEC DRAM不容易找到（我的垃圾箱里还没有找到），另一家公司的MS可能没有金属盖。 那么怎么去水晶呢？ 总的来说，我认为这篇文章只是尝试这个有趣问题的起点。 В 源文件 还有一些文本文件。 我也会尝试翻译它们。 作者：Martin Kurz，由 Nikolai Bolshakov 翻译，rf.atnn.ru
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