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基于CMOS图像传感器的视频采集系统设计
2009年12月3日 11:09  微计算机信息  作 者:李巍 邱跃洪 董佳

引言

CCD和CMOS图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手,两者在性能表现上各有优劣。

相较于CCD图像传感器, CMOS图像传感器功耗低,结构简单,集成度高,体积小,成本低,这就使产品的便携性和可靠性得以极大的提高。由于CMOS图像传感器的内部结构,使其具有高抗辐照,抗干扰能力强,因此在图像传感,天文观测、小卫星、星敏感器等应用领域表现出极大的应用潜力[1]。另外基于CMOS图像传感器的加工工艺,可以较容易的制造出大面阵的CMOS体传感器器件,更加扩展了CMOS图像传感器的应用范围。

基于CMOS图像传感器的视频采集系统充分的利用了CMOS图像传感器的优点,采用USB总线供电,即插即用,电路简单,功耗低,成品体积小,成像清晰,稳定,很好的满足了CMOS图像采集系统的图像采集要求。

一.CMOS图像传感器的内部结构 

目前CMOS图像传感器主要分为无源象素传感器(PPS)和有源象素传感器(APS)[2]。PPS结构简单,量子效率高,但是缺点是噪声大,并且不利于向大型阵列发展;APS在象素中加入了至少一个晶体管来实现对信号的放大和缓冲,改善了PPS的噪声问题,但恶化了阈值和增益的一致性,也减小了填充系数。

CMOS图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构(见图1)和光栅型有源像素结构,其它特殊结构还有对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型等。

图1  光敏二极管型有源像素结构图

一个典型的CMOS图像传感器通常包含:一个图像传感器核心,相应的时序逻辑和控制电路、AD转换器、存储器、定时脉冲发生器和译码器等 [3] 。

定时控制电路用来设置传感器的工作模式,产生工作时序,控制数据的输出等。像素采集到的信号在芯片内部就经过了放大、AD转换、存储等处理,最后可输出需要的数字信号,也可以输出模拟信号,这给用户在设计时提供了较大的灵活性[4]。

二.CMOS图象视频采集系统工作原理。

本视频采集系统整体上按照功能可以分为三个部分:CMOS成像部分、CPLD时序控制部分、USB传输部分。

整个图像采集系统的工作原理如下:通过CPLD发送正确时序信号给CMOS图像传感器,驱动其正常工作,采取合适的快门方式,并将采集到的图像数据进行打包处理,输出给USB传输芯片, USB传输芯片再将图像数据传入主机,并通过上层应用程序得到采集到的图像。

三.系统采用的主要芯片。

3.1 CMOS图像传感器芯片IBIS5-A-1300。

本系统CMOS图像采集芯片选用了Fillfactory公司的IBIS5-A-1300 COMS图像传感器芯片,分辨率为1280×1024,全帧采集速率最高可达27fps,动态范围最大达到100db,6.7 m×6.7 m高填充系数像元,填充系数可达66%,支持卷帘快门和同步快门两种快门方式。内部集成可调整增益和偏置的输出放大器,以及40Msamples/s高速A/D转换模块,A/D量化等级为10bit,可直接输出模拟信号或数字信号,内部有大量的寄存器和控制器,可以对传感器的工作状态进行实时调整。芯片支持开窗技术亚采样技术,根据实际需要实时提高帧速率[5]。

3.2 数据采集芯片 EZ-USB FX2

USB传输部分选用了CYPRESS公司的EZ-USB FX2芯片,它是一个USB2.0集成外围控制器,该芯片支持12M/S的全速传输和480M/S的高速传输,可以使用(具有)4种USB传输方式:控制传输、中断传输、块传输和同步传输;该器件集成有一个增强型的8051、8.5kB的RAM、4kB的FIFO存储器、串行接口引擎(SIE)、通用可编程接口(GPIF)、I/O口、数据总线、地址总线[6]。

3.3 Altra公司的CPLD控制芯片EPM570。

系统的时序控制芯片采用Atral公司的CPLD控制芯片EPM570。该芯片可以很好的完成系统的时序控制要求。

编 辑:王群芳
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