ET21X110A影像傳感器的原理與應(yīng)用

    摘要：介紹臺(tái)灣義統(tǒng)（Etoms）電子有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的CMOS影像傳感器ET21X110A芯片的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、原理以及應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：CMOS影像傳感器 ET21X110A 等效亮點(diǎn)

由臺(tái)灣義統(tǒng)電子有限公司設(shè)計(jì)的ET21X110A是一款內(nèi)含CMOS影響傳感陣列、信號(hào)處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片；具有集成度高、價(jià)格低、功耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)；可廣泛應(yīng)用于各種低分辨率圖像信號(hào)采集、移動(dòng)目標(biāo)偵查和字圖辨認(rèn)等應(yīng)用系統(tǒng)中。

圖1

1 ET21X110A影像傳感器的工作模式

ET21X110A影像傳感器有兩種工作模式：行掃描成像輸出模式（ROW Data）和等效亮點(diǎn)輸出模式（XY Coordinate）。改變芯片引腳的連接可以選擇共工作模式。

1．1 行掃描成像模式

傳感器輸出低分辨率圖像信號(hào)，最高灰度為64級(jí)，1幀圖像掃描時(shí)間為3.5～4ms(外接3.58MHz晶振)。傳感器以幀為單位，按從右到左、從上到下的次序不斷輸出每個(gè)感光元的灰度信號(hào)。通過改變芯片外部有關(guān)引腳的連接方式可以選擇：

*圖像像素——32×3232、24×24、20×20、16×16；

    *感光時(shí)間——15～255個(gè)感光時(shí)間單元；

*影像信號(hào)輸出方式——并行輸出、串行輸出（RS232標(biāo)準(zhǔn)）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪聲對(duì)成像的影響。

1．2 等效亮點(diǎn)輸出模式

傳感器按一定的算法對(duì)采集到的1幀圖像信號(hào)全部進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果是得到一組可以表征該幀圖像特征的數(shù)據(jù)（稱為等效亮點(diǎn)）。傳感器輸出該點(diǎn)的數(shù)據(jù)，即等效亮點(diǎn)的坐標(biāo)（X、Y）和亮度（Z）。通過改變芯片外部有關(guān)引腳的連接方式可以選擇：

*圖像像素——32×32、16×16；

*等效亮點(diǎn)信號(hào)輸出方式——串行輸出（RS232標(biāo)準(zhǔn)）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪聲對(duì)測(cè)量的影響。

2 結(jié)構(gòu)和原理

2.1 結(jié)構(gòu)

ET21X110A芯片采用32引腳的PLCC封裝，外形如圖1（a）所示。使用芯片時(shí)，須將微型光學(xué)鏡頭安插在芯片頂部的矩形凹槽中。ET21X110A芯片由CMOS傳感陣列、模擬信號(hào)放大與處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、狀態(tài)控制模塊和算法模塊五部分構(gòu)成，如圖2所示。

CMOS傳感陣列感光后，每個(gè)感光單元中的CMOS晶體管會(huì)發(fā)生電荷變化，形成一個(gè)模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)過放大以后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。芯片內(nèi)置的微控制器按照外接引腳電平的選擇，確定芯片的工作模式、參數(shù)設(shè)置、輸出方式、系統(tǒng)復(fù)位、圖像信號(hào)處理、算法處理以及RS232串行協(xié)議處理等。芯片主要引腳的功能說(shuō)明如表1所列。

表1 ET21X110A主要引腳的功能說(shuō)明

2．2 模式選擇與設(shè)置

模式選擇與設(shè)置如表2、3、4所列。

表2 工作模式和數(shù)據(jù)輸出方式選擇

表3 圖像像素選擇

表4 感光時(shí)間選擇

當(dāng)背景消噪的選擇是：

當(dāng)BG=0時(shí)，要背景消噪；

當(dāng)BG=1時(shí)，不要背景消噪。

圖4

    2．3 行數(shù)據(jù)

ET21X110A以幀為單位輸出影像數(shù)據(jù)，又稱行數(shù)據(jù)。行數(shù)據(jù)表示每個(gè)像素的灰度值，數(shù)值范圍為0～63。每一幀圖像由33×32個(gè)像素?cái)?shù)據(jù)組成，如圖3所示。在每一幀圖像的行開始處都添加了一個(gè)啞元（dummy）像素。啞元像素不是真實(shí)的感光元，所以每幀圖像實(shí)際有效像數(shù)據(jù)為32×32個(gè)。

2．4 影像傳感器工作時(shí)序

ET21X110A影像傳感器的工作時(shí)序如圖4所示。圖中時(shí)序源是時(shí)鐘信號(hào)SCLK，經(jīng)芯片內(nèi)置電路分頻后產(chǎn)生有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的幀指示信號(hào)FS和模數(shù)轉(zhuǎn)換指示信號(hào)STR。由芯片內(nèi)置電路產(chǎn)生的信號(hào)還有模數(shù)轉(zhuǎn)換開始信號(hào)ADSTART和模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)ADEND。

當(dāng)FS為低電平時(shí)，影像傳感器處于感光期；當(dāng)FS為高電平時(shí)，感光期結(jié)束，進(jìn)入采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換期。

當(dāng)STR由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，采樣開始；當(dāng)STR由低電平變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，采樣結(jié)束，模數(shù)轉(zhuǎn)換開始。整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程需要10個(gè)時(shí)鐘周期。

當(dāng)ADSTART變?yōu)楦唠娖胶?0個(gè)SCLK周期，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)ADEND信號(hào)，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換已結(jié)束。這時(shí)數(shù)據(jù)通過D2～D7輸出。

    2.5 圖像輸出方式

芯片工作時(shí)，同時(shí)有并行和串行輸出。選擇并行輸出時(shí)，傳感器從引腳D2～D7輸出行數(shù)據(jù)。用戶在接收并行數(shù)據(jù)時(shí)需要注意兩個(gè)問題：一是要通過幀指示信號(hào)FS確認(rèn)系統(tǒng)不是工作在感光期，以保證數(shù)據(jù)的有效性；二是要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)ADEND，找出行數(shù)據(jù)的起始單元。如果這兩個(gè)問題都已解決，那么通過引腳D2～D7連續(xù)接收32×32個(gè)數(shù)據(jù)（選擇最大像素時(shí)），用這些數(shù)據(jù)就可以構(gòu)成1幀32×32個(gè)像素、具有64級(jí)灰度的圖像了。

選擇串行輸出時(shí)，傳感器從引腳RS232輸出串行數(shù)據(jù)，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15.2kbps。串行數(shù)據(jù)的第一、二個(gè)信號(hào)為幀同步信號(hào)。芯片首先發(fā)送FFH和00H，然后再發(fā)送其余的數(shù)據(jù)，用戶可以通過這兩個(gè)信號(hào)找出行數(shù)據(jù)的起始單元。串行數(shù)據(jù)的構(gòu)成如圖5所示，其中每個(gè)字節(jié)包含兩個(gè)像素的灰度數(shù)據(jù)，所以發(fā)送1幀圖像只需要512個(gè)數(shù)據(jù)就夠了，按照RS232協(xié)議，每一個(gè)串行字節(jié)包含1個(gè)起始位，8位數(shù)據(jù)位和2個(gè)停止位。串行輸出的數(shù)據(jù)只能構(gòu)成32×32個(gè)像素或16×16個(gè)像素，具有16級(jí)灰度的圖像。

圖6

    2．6 等效亮點(diǎn)輸出

當(dāng)芯片工作于等效亮點(diǎn)輸出模式時(shí)輸出的是等效亮點(diǎn)的坐標(biāo)（X、Y）和等效亮度（Z）。當(dāng)成像目標(biāo)移動(dòng)時(shí)，等效亮點(diǎn)的坐標(biāo)也會(huì)跟著變化。由于等效亮度與成像目標(biāo)的距離有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Z可以用來(lái)表征鏡頭到成像目標(biāo)的距離，所以，這一模式可用于測(cè)距和移動(dòng)偵查。

等效亮點(diǎn)輸出只有串行方式，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?9.2kbps，其RS232串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如圖6所示。每一次連續(xù)輸出3個(gè)字節(jié)。每個(gè)字節(jié)的低5位為數(shù)據(jù)，高3位為標(biāo)志位。當(dāng)高3位為（0，0，1）時(shí)，表示X；當(dāng)高3位為（0，0，0）時(shí)，表示Y；當(dāng)高3位為（0，1，0）時(shí)，表示Z。

2．7 背景消噪功能

對(duì)影像目標(biāo)進(jìn)行二次感光，其中有一次是添加紅外光時(shí)的感光，將二次感光所得到的圖像信號(hào)相減，可以抵消CMOS器件本身的噪聲。無(wú)論對(duì)成像或是等效亮點(diǎn)模式都可以通過改變引腳選擇使用。當(dāng)需要二次感光時(shí)，芯片輸出引腳LED_EN輸出低電平，可使用該信號(hào)去控制點(diǎn)亮紅外LED二極管的驅(qū)動(dòng)電路，傳感器芯片會(huì)自動(dòng)對(duì)二次感光的信號(hào)進(jìn)行處理，達(dá)到消除背景噪聲的目的。

圖7

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 字圖閱讀器

字圖閱讀器用于近距離閱讀字符或圖像，通過RS232串行接口可直接將所得到的低分辨率圖像送到計(jì)算機(jī)中成像和處理。字圖閱讀器的電路原理如圖7所示。電路由兩塊芯片組成：主芯片為ET21X110A，引腳設(shè)置如表5所示；另一塊芯片為MAX232A，用于將主芯片的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的RS232電平，以保證串行通信的正常進(jìn)行。

表5 字圖閱讀器主芯片的引腳設(shè)置

注意電路中必須使用3.58MHz的外接晶振，才能保證系統(tǒng)串行通信的波特率為115.2kbps。此外，由于光線過亮?xí)r才會(huì)引起CMOS感光元飽和，光線過暗又會(huì)引起感光不足，所以在閱讀字圖時(shí)要滿足適當(dāng)?shù)墓庹諚l件。

當(dāng)芯片電源接通以后，在PC機(jī)端就可以接收到芯片傳送過來(lái)的圖像數(shù)據(jù)。使用VB編程時(shí)，一種較簡(jiǎn)單的方法就是用VB中的MSCOMM控件。在設(shè)計(jì)程序時(shí)要注意，控件的屬性設(shè)置一定要與串行通信傳輸速率、數(shù)據(jù)位、停止位的格式相匹配。由于每一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸前，芯片都會(huì)先發(fā)送兩個(gè)字節(jié)的幀同步信號(hào)FFH和00H，因此可以用這一特點(diǎn)來(lái)檢測(cè)1幀圖像的起始點(diǎn)。

    3．2 視覺跟蹤演示

視覺跟蹤用于目標(biāo)跟蹤演示。當(dāng)目標(biāo)物體移動(dòng)時(shí)，在PC機(jī)屏幕上會(huì)有相應(yīng)的反映。為形象生動(dòng)起見，用一對(duì)模擬的眼球表示這種相應(yīng)關(guān)系。演示時(shí)鏡頭對(duì)準(zhǔn)人的手掌，當(dāng)手掌移動(dòng)時(shí)，眼球中的黑點(diǎn)會(huì)跟蹤移動(dòng)，就像人眼跟蹤移動(dòng)物體一樣。

視覺跟蹤演示的電路原理圖與字圖閱讀器的電原理圖大致相似，只有部分引腳設(shè)置不同，如表6所列。

表6 視覺跟蹤演示主芯片的引腳設(shè)置

在PC機(jī)端設(shè)計(jì)程序時(shí)，同樣可以用VB中的MSCOMM控件來(lái)接收數(shù)據(jù)。由于芯片在等效亮點(diǎn)模式下工作，要注意控件的屬性設(shè)置與字圖閱讀器中的有所區(qū)別，主要是傳輸?shù)牟ㄌ芈什煌Ａ硗?，?shù)據(jù)格式也不一樣。視覺跟蹤演示只需要用到X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)即可。

當(dāng)人的手掌在鏡頭前移動(dòng)時(shí)，眼球中的黑點(diǎn)會(huì)隨著人手的移動(dòng)而相應(yīng)地移動(dòng)。移動(dòng)情況如圖8所示。

4 結(jié)論

ET21X110A是一款低解析度的CMOS影像傳感器芯片，具有集成度高、價(jià)格低、功耗低和體積小的優(yōu)點(diǎn)。芯片有行掃描成像和等效亮點(diǎn)輸出兩種工作模式；有并行和RS232串行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，用戶可根據(jù)應(yīng)用情況作出選擇。此外，芯片與通用微控制器或PC機(jī)的接口容易，程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。

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