基于CMOS圖像傳感器的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　CCD和CMOS圖像傳感器作為固體圖像傳感器領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，兩者在性能表現(xiàn)上各有優(yōu)劣。

　　相較于CCD圖像傳感器， CMOS圖像傳感器功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成度高，體積小，成本低，這就使產(chǎn)品的便攜性和可靠性得以極大的提高。由于CMOS圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其具有高抗輻照，抗干擾能力強(qiáng)，因此在圖像傳感，天文觀測(cè)、小衛(wèi)星、星敏感器等應(yīng)用領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力[1]。另外基于CMOS圖像傳感器的加工工藝，可以較容易的制造出大面陣的CMOS體傳感器器件，更加擴(kuò)展了CMOS圖像傳感器的應(yīng)用范圍。

　　基于CMOS圖像傳感器的視頻采集系統(tǒng)充分的利用了CMOS圖像傳感器的優(yōu)點(diǎn)，采用USB總線供電，即插即用，電路簡(jiǎn)單，功耗低，成品體積小，成像清晰，穩(wěn)定，很好的滿足了CMOS圖像采集系統(tǒng)的圖像采集要求。

　　一．CMOS圖像傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　目前CMOS圖像傳感器主要分為無(wú)源象素傳感器（PPS）和有源象素傳感器（APS）[2]。PPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，量子效率高，但是缺點(diǎn)是噪聲大，并且不利于向大型陣列發(fā)展；APS在象素中加入了至少一個(gè)晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大和緩沖，改善了PPS的噪聲問(wèn)題，但惡化了閾值和增益的一致性，也減小了填充系數(shù)。

　　CMOS圖像傳感器像元結(jié)構(gòu)主要有光敏二極管型無(wú)源像素結(jié)構(gòu)、光敏二極管型有源像素結(jié)構(gòu)(見圖1)和光柵型有源像素結(jié)構(gòu)，其它特殊結(jié)構(gòu)還有對(duì)數(shù)傳輸型、釘扎光敏二極管型、浮柵放大器型等。

　　圖1  光敏二極管型有源像素結(jié)構(gòu)圖

　　一個(gè)典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個(gè)圖像傳感器核心，相應(yīng)的時(shí)序邏輯和控制電路、AD轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、定時(shí)脈沖發(fā)生器和譯碼器等 [3] 。

　　定時(shí)控制電路用來(lái)設(shè)置傳感器的工作模式，產(chǎn)生工作時(shí)序，控制數(shù)據(jù)的輸出等。像素采集到的信號(hào)在芯片內(nèi)部就經(jīng)過(guò)了放大、AD轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)等處理，最后可輸出需要的數(shù)字信號(hào)，也可以輸出模擬信號(hào)，這給用戶在設(shè)計(jì)時(shí)提供了較大的靈活性[4]。

　　二．CMOS圖象視頻采集系統(tǒng)工作原理。

　　本視頻采集系統(tǒng)整體上按照功能可以分為三個(gè)部分：CMOS成像部分、CPLD時(shí)序控制部分、USB傳輸部分。

　　整個(gè)圖像采集系統(tǒng)的工作原理如下：通過(guò)CPLD發(fā)送正確時(shí)序信號(hào)給CMOS圖像傳感器，驅(qū)動(dòng)其正常工作，采取合適的快門方式，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，輸出給USB傳輸芯片， USB傳輸芯片再將圖像數(shù)據(jù)傳入主機(jī)，并通過(guò)上層應(yīng)用程序得到采集到的圖像。

 三．系統(tǒng)采用的主要芯片。

　　3.1 CMOS圖像傳感器芯片IBIS5-A-1300。

　　本系統(tǒng)CMOS圖像采集芯片選用了Fillfactory公司的IBIS5-A-1300 COMS圖像傳感器芯片，分辨率為1280×1024，全幀采集速率最高可達(dá)27fps，動(dòng)態(tài)范圍最大達(dá)到100db，6．7 m×6．7 m高填充系數(shù)像元，填充系數(shù)可達(dá)66％,支持卷簾快門和同步快門兩種快門方式。內(nèi)部集成可調(diào)整增益和偏置的輸出放大器，以及40Msamples/s高速A/D轉(zhuǎn)換模塊，A/D量化等級(jí)為10bit，可直接輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，內(nèi)部有大量的寄存器和控制器，可以對(duì)傳感器的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。芯片支持開窗技術(shù)亞采樣技術(shù)，根據(jù)實(shí)際需要實(shí)時(shí)提高幀速率[5]。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集芯片 EZ-USB FX2

　　USB傳輸部分選用了CYPRESS公司的EZ-USB FX2芯片，它是一個(gè)USB2.0集成外圍控制器，該芯片支持12M/S的全速傳輸和480M/S的高速傳輸，可以使用（具有）4種USB傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸；該器件集成有一個(gè)增強(qiáng)型的8051、8.5kB的RAM、4kB的FIFO存儲(chǔ)器、串行接口引擎（SIE）、通用可編程接口（GPIF）、I/O口、數(shù)據(jù)總線、地址總線[6]。

　　3.3 Altra公司的CPLD控制芯片EPM570。

　　系統(tǒng)的時(shí)序控制芯片采用Atral公司的CPLD控制芯片EPM570。該芯片可以很好的完成系統(tǒng)的時(shí)序控制要求。

　　四．CMOS視頻成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　4.1系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。

　　本采集系統(tǒng)為兩塊四層PCB板組合而成，其中一塊為視頻采集板，一塊為USB數(shù)據(jù)傳輸板。其核心CMOS視頻圖像采集板如圖3所示。

　　圖3：CMOS視頻圖像采集板原理圖

　　從硬件設(shè)計(jì)的原理圖可以看出，CMOS圖像傳感器只需提供少量的電源轉(zhuǎn)換器件即可正常工作，這是因?yàn)镃MOS圖像傳感器功耗很小，只需采用USB總線提供的5v電壓就可以驅(qū)動(dòng)其正常工作。另外CMOS圖像傳感器芯片僅需要少數(shù)的幾個(gè)外部控制信號(hào)即可完成圖像的采集（本系統(tǒng)的控制信號(hào)由USB數(shù)據(jù)傳輸板上的CPLD芯片提供），且芯片內(nèi)部集成了輸出放大器，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，只需修改芯片中的特殊寄存器值即可改變輸出放大器的偏置電壓，增益等參數(shù)，這樣就大大降低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和成品的體積，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

　　4.2．系統(tǒng)的時(shí)序設(shè)計(jì)。

　　CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，內(nèi)部集成度高，因此僅需很少的外部控制信號(hào)即可完成視頻圖像的采集輸出

　　本系統(tǒng)時(shí)序采用VHDL硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)，其核心部分為一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)，具體狀態(tài)關(guān)系如下

　　系統(tǒng)工作過(guò)程如下：當(dāng)系統(tǒng)上電后，CPLD產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)復(fù)位整個(gè)芯片到初始狀態(tài)，然后對(duì)芯片進(jìn)行并行數(shù)據(jù)注入，向CMOS圖像傳感器的特殊寄存器寫入預(yù)定值，設(shè)置諸如像元積分時(shí)間，像素讀出行數(shù)，輸出放大器增益等參數(shù)。隨后CPLD給CMOS芯片提供 ss_start信號(hào)，標(biāo)志開始像素積分，ss_stop信號(hào)結(jié)束像素積分，隨后圖像傳感器即處于可讀出狀態(tài)。向CMOS發(fā)出y_start信號(hào)開始一幀圖像的讀出，發(fā)出y_clock信號(hào)，開始一行圖像的讀出，當(dāng)CMOS圖像傳感器有像素信號(hào)輸出時(shí)， pxl_valid引腳信號(hào)為高，此時(shí)CMOS圖像傳感器正在進(jìn)行一行圖像的輸出，當(dāng)pxl_valid變低時(shí)，一行圖像輸出結(jié)束，CPLD再提供下一個(gè)y_clock信號(hào)，啟動(dòng)CMOS進(jìn)行下一行圖像的讀出。當(dāng)一幀圖像的最后一行開始讀出時(shí)，CMOS芯片的LAST_LINE引腳變高，標(biāo)志一幀圖像讀出的結(jié)束，CPLD再產(chǎn)生下一個(gè)ss_start信號(hào)，開始下一幀圖像的讀出。這樣，CMOS就在CPLD的時(shí)序控制下，正常工作,循環(huán)讀出圖像。

　　4.3.USB圖像采集模塊設(shè)計(jì)。

　　本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊采用cypress公司的EZ?_USB FX2 ,USB傳輸芯片，通過(guò)編寫固件程序，使該芯片工作在高速批量傳輸方式。本系統(tǒng)采用芯片中的SLAVE FIFO傳輸模式[7],即不通過(guò)USB芯片中增強(qiáng)型8051核控制和干預(yù)，將數(shù)據(jù)直接通過(guò)USB總線，高速的傳輸?shù)絧c機(jī)中。最后利用visual c++6.0編寫上層用戶端程序，采用多線程技術(shù)，創(chuàng)建兩個(gè)線程：USB傳輸線程和圖像實(shí)時(shí)顯示線程，實(shí)現(xiàn)了在pc機(jī)中的實(shí)時(shí)圖像顯示。

　　五.試驗(yàn)結(jié)果

　　從試驗(yàn)拍攝的鑒別率靶圖像可以看到，CMOS圖像傳感器成像清晰，穩(wěn)定，分辨率高。整個(gè)CMOS視頻采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，時(shí)序設(shè)計(jì)容易，開發(fā)周期短，其成品體積小，外圍器件少，成本低，采用USB總線供電，即插即用，具有很高的實(shí)用價(jià)值。