基于CMOS圖像傳感器的計(jì)花器設(shè)計(jì)

摘要：闡述了新型CMOS圖像傳感器ME1010的結(jié)構(gòu)模塊與工作方式，設(shè)計(jì)出了以ME1010為核心的計(jì)花器系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件、軟件結(jié)構(gòu)，對硬件和軟件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真分析。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足高支纖維生產(chǎn)過程對計(jì)花作業(yè)的要求，具有實(shí)用價值。
關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；ME1010；計(jì)花器

0 前言
    織物上的疵點(diǎn)主要是由纖維上的花結(jié)引起的，計(jì)花器是紡織業(yè)中的一種常用設(shè)備，主要用于統(tǒng)計(jì)(或清除)紡錠上的花結(jié)，是確定纖維質(zhì)量等級的主要依據(jù)。目前國產(chǎn)計(jì)花器主要有電容式和光電式兩種，精度較低，對高支纖維的處理較困難。本文提出利用CMOS圖像傳感器，進(jìn)行纖維花結(jié)的感知，其精度可達(dá)0．02mm，完全可以滿足當(dāng)前高支纖維的生產(chǎn)需要。

1 ME1010簡介
    ME1010是一個使用方便的綜合圖像傳感器，由Microne公司采用專利結(jié)構(gòu)開發(fā)，旨在使其更便于與計(jì)算機(jī)產(chǎn)品構(gòu)成一個整體。不同于傳統(tǒng)的CCD圖像傳感器或一些新的CMOS圖像傳感器產(chǎn)品，ME1010圖像傳感器可提供極低速X-Y地址圖像輸出，以便于與計(jì)算機(jī)或DSP相連接。它提供了352×290個像素(其中352×288個有效像素)、一個片上放大器和配套的ADC電路。
    此外，一個寬范圍的連續(xù)全屏幕電子快門功能(從1μs到255ms)可避免對很多光學(xué)設(shè)備如光圈和機(jī)械快門等的需求。這對那些緊湊而經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品如定向視聽相機(jī)組件、電子監(jiān)視、車載電視系統(tǒng)、消費(fèi)品、高技術(shù)玩具等非常有吸引力。
    其主要特征有：12．1μm×12．1μm的CMOS像素元；352×290像素陣列(有效元：352×288)；基于像素元的片上幀buffer；低速可按X-Y地址輸出像素信號；片上視頻放大器；片上8位A／D轉(zhuǎn)換器；低功耗(小于200mW)；全屏電子快門寬范圍連續(xù)可調(diào)；內(nèi)置黑狀態(tài)參考；LCC- 48
腳封裝；
    功能：
    像素陣列：由352×290的光敏區(qū)組成，包括一系列的參考行和可用的352×288像素陣列。
    控制信號“XYSEL”的狀態(tài)決定九位地址(ADO to AD8)的譯碼與X或Y地址對應(yīng)。感光過程的初始化由"VRST"的電平對感光區(qū)內(nèi)的各感光元素進(jìn)行預(yù)置。像素陣列的初始化可以全屏一次進(jìn)行，也可以通過"PREC"、X地址譯碼輸出以及“G”信號的組合邏輯狀態(tài)按行進(jìn)行。產(chǎn)生的感光信號可暫存在幀buffer里，通過取樣控制信號(包括"Samp"信號、X譯碼輸出、"SampG"信號的邏輯綜合)，由X-Y地址可將此buffer內(nèi)的指定內(nèi)容讀出。
    在讀數(shù)據(jù)期間，由X地址譯碼輸出和"Sel"信號共同決定哪一行像素為當(dāng)前行，同時在"Read"信號的上升沿，對當(dāng)前像素區(qū)的感光單元采樣并送至一 buffer行里。此buffer行通過多路傳輸技術(shù)輸出至輸出行"Vout"。多路器由Y信號的譯碼輸出控制。Y譯碼的最近一次輸出用來讀
出動態(tài)暗參考。因此，在正常的圖像讀出方式下，最重要的Y譯碼輸出是O×15F。
    ME1010對由外部邏輯電路(微控制器或ASIC)指定的X-Y地址對應(yīng)的感光區(qū)(當(dāng)前區(qū))的感光信號保存至模擬信號幀Buffer。由"Vout"腳輸出的原始像素信號是負(fù)極性信號。換言之，黑色信號的電平比白色信號的電平高。
    黑色參考單元行：
    感光陣列的第一行(底部)是用來對動態(tài)黑色(參考背景)進(jìn)行感光。這一動態(tài)黑色參考是在取樣過程開始前，第一行的光敏元感光產(chǎn)生的。當(dāng)選擇此行即Y譯碼輸出為15F(351)時，參考信號即輸出至"Vref"腳做為后續(xù)的源。這樣就為關(guān)閉信號處理器和片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供了黑色參考。
    片上8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(8-bADC)；
    片上8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器可將模擬圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號?？焖貯DC的功能時序圖如下圖1所示。在"ADCclock"信號的下降沿對模擬圖像信號取樣，在"ADC Clock"低電平期間完成A／D轉(zhuǎn)換，在"ADCClock"的上升沿輸出數(shù)字信號。由此引起半個時鐘周期的轉(zhuǎn)換延遲(低電平寬度)。轉(zhuǎn)換范圍由外置參考電壓決定。以電源方式輸入的補(bǔ)償信號可將偏離信號減少到零。



2 硬件系統(tǒng)
    本系統(tǒng)硬件主要由傳感器及外圍電路、按鍵電路、基準(zhǔn)電壓電路、MCU處理器、顯示電路、與上位機(jī)通訊接口電路、電源電路等部分組成，如圖2所示。


    傳感器采用ME1010型CMOS圖像傳感器，其外圍電路主要有地址譯碼與驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)總線、采樣時鐘及控制電路、A／D控制電路等部分組成。
    按鍵電路較簡單，主要有計(jì)花、計(jì)長、暫停鍵等，實(shí)現(xiàn)計(jì)花、計(jì)長、暫停檢修等功能。
    基準(zhǔn)電壓電路為圖像傳感器提供A／D轉(zhuǎn)換參考電平。具體電路如圖3所示。


    顯示電路完成計(jì)花、計(jì)長結(jié)果的顯示，主要由顯示模塊及驅(qū)動電路組成，顯示模塊采用數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)，也可采用液晶顯示模塊，前者結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。
    通訊接口電路實(shí)現(xiàn)各計(jì)花器終端與上位機(jī)的數(shù)據(jù)傳送。在系統(tǒng)研制階段，還可通過通訊接口電路，獲得傳感器數(shù)據(jù)，以設(shè)定合理的整定值。
    MCU選用8位單片機(jī)即可。

3 軟件系統(tǒng)
    軟件系統(tǒng)主要由主程序、按鍵掃描程序、顯示程序等構(gòu)成。
    主程序主要負(fù)責(zé)對傳感器信號進(jìn)行處理，調(diào)用按健子程序和顯示子程序。圖4軟件流程圖



4 仿真
    采用匯編語言完成程序編寫，在單片機(jī)IDE平臺UV2上，對各程序進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，各程序模塊功能正確。利用模擬信號進(jìn)行硬件仿真，仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定功能：根據(jù)花結(jié)整定參數(shù)，對輸入信號進(jìn)行處理，統(tǒng)計(jì)出當(dāng)前線錠上花結(jié)的數(shù)目。