ET21X110A影像传感器的原理与应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍台湾义统(Etoms)电子有限公司设计生产的CMOS影像传感器ET21X110A芯片的特点、结构、原理以及应用。 关键词:CMOS影像传感器 ET21X110A 等效亮点 由台湾义统电子有限公司设计的ET21X110A是一款内含CMOS影响传感阵列、信号处理电路和8位微控制器的集成传感芯片;具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点;可广泛应用于各种低分辨率图像信号采集、移动目标侦查和字图辨认等应用系统中。 图1 1 ET21X110A影像传感器的工作模式 ET21X110A影像传感器有两种工作模式:行扫描成像输出模式(ROW Data)和等效亮点输出模式(XY Coordinate)。改变芯片引脚的连接可以选择共工作模式。 1.1 行扫描成像模式 传感器输出低分辨率图像信号,最高灰度为64级,1帧图像扫描时间为3.5~4ms(外接3.58MHz晶振)。传感器以帧为单位,按从右到左、从上到下的次序不断输出每个感光元的灰度信号。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择: *图像像素——32%26;#215;3232、24%26;#215;24、20%26;#215;20、16%26;#215;16; *感光时间——15~255个感光时间单元; *影像信号输出方式——并行输出、串行输出(RS232标准); *背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪声对成像的影响。 1.2 等效亮点输出模式 传感器按一定的算法对采集到的1帧图像信号全部进行计算。计算结果是得到一组可以表征该帧图像特征的数据(称为等效亮点)。传感器输出该点的数据,即等效亮点的坐标(X、Y)和亮度(Z)。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择: *图像像素——32%26;#215;32、16%26;#215;16; *等效亮点信号输出方式——串行输出(RS232标准); *背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪声对测量的影响。 2 结构和原理 2.1 结构 ET21X110A芯片采用32引脚的PLCC封装,外形如图1(a)所示。使用芯片时,须将微型光学镜头安插在芯片顶部的矩形凹槽中。ET21X110A芯片由CMOS传感阵列、模拟信号放大与处理模块、A/D转换模块、状态控制模块和算法模块五部分构成,如图2所示。 CMOS传感阵列感光后,每个感光单元中的CMOS晶体管会发生电荷变化,形成一个模拟电压。该模拟电压经过放大以后,由A/D转换模块转换成数字信号。芯片内置的微控制器按照外接引脚电平的选择,确定芯片的工作模式、参数设置、输出方式、系统复位、图像信号处理、算法处理以及RS232串行协议处理等。芯片主要引脚的功能说明如表1所列。 表1 ET21X110A主要引脚的功能说明 名 称 功 能 类 型 EO(7:4) 感光时间选择 输入 M1,M0 图像像素选择 输入 RESET 系统复位 输入 BS 工作模式选择 输入 BG 背景消噪功能选择 输入 XLT_IN 系统时钟 系统 LED_EN 二次感光源LED控制 输出 FS 帧指示信号 系统 STR A/D转换指示信号 系统 D(7:2) 并行输出数据信号 输出 RS232 串行输出数据信号 输出 2.2 模式选择与设置 模式选择与设置如表2、3、4所列。 表2 工作模式和数据输出方式选择 BS 工作模式 数据输出方式 BS=0 行扫描成像模式 同时有串行(RS232)、并行 BS=1 等效亮点模式 只有串行(RS232) 表3 图像像素选择 图像像素 M1,M0 行成像模式 等效亮点模式 32%26;#215;32 M1=0,M0=0 M1=0 24%26;#215;24 M1=0,M0=1   20%26;#215;20 M1=1,M0=1   16%26;#215;16 M1=1,M0=1 M1=1 表4 感光时间选择 EO7~EO4 感光时间 1111 255个感光单元 1000 143个感光单元 0001 31个感光单元 0000 15个感光单元 当背景消噪的选择是: 当BG=0时,要背景消噪; 当BG=1时,不要背景消噪。 图4 2.3 行数据 ET21X110A以帧为单位输出影像数据,又称行数据。行数据表示每个像素的灰度值,数值范围为0~63。每一帧图像由33%26;#215;32个像素数据组成,如图3所示。在每一帧图像的行开始处都添加了一个哑元(dummy)像素。哑元像素不是真实的感光元,所以每帧图像实际有效像数据为32%26;#215;32个。 2.4 影像传感器工作时序 ET21X110A影像传感器的工作时序如图4所示。图中时序源是时钟信号SCLK,经芯片内置电路分频后产生有确定对应关系的帧指示信号FS和模数转换指示信号STR。由芯片内置电路产生的信号还有模数转换开始信号ADSTART和模数转换结束信号ADEND。 当FS为低电平时,影像传感器处于感光期;当FS为高电平时,感光期结束,进入采样和模数转换期。 当STR由高电平变为低电平时,采样开始;当STR由低电平变为高电平时,采样结束,模数转换开始。整个模数转换过程需要10个时钟周期。 当ADSTART变为高电平后10个SCLK周期,会产生一个ADEND信号,表明模数转换已结束。这时数据通过D2~D7输出。 2.5 图像输出方式 芯片工作时,同时有并行和串行输出。选择并行输出时,传感器从引脚D2~D7输出行数据。用户在接收并行数据时需要注意两个问题:一是要通过帧指示信号FS确认系统不是工作在感光期,以保证数据的有效性;二是要通过模数转换结束信号ADEND,找出行数据的起始单元。如果这两个问题都已解决,那么通过引脚D2~D7连续接收32%26;#215;32个数据(选择最大像素时),用这些数据就可以构成1帧32%26;#215;32个像素、具有64级灰度的图像了。 选择串行输出时,传感器从引脚RS232输出串行数据,传输的波特率为115.2kbps。串行数据的第一、二个信号为帧同步信号。芯片首先发送FFH和00H,然后再发送其余的数据,用户可以通过这两个信号找出行数据的起始单元。串行数据的构成如图5所示,其中每个字节包含两个像素的灰度数据,所以发送1帧图像只需要512个数据就够了,按照RS232协议,每一个串行字节包含1个起始位,8位数据位和2个停止位。串行输出的数据只能构成32%26;#215;32个像素或16%26;#215;16个像素,具有16级灰度的图像。 图6 2.6 等效亮点输出 当芯片工作于等效亮点输出模式时输出的是等效亮点的坐标(X、Y)和等效亮度(Z)。当成像目标移动时,等效亮点的坐标也会跟着变化。由于等效亮度与成像目标的距离有一定的对应关系,Z可以用来表征镜头到成像目标的距离,所以,这一模式可用于测距和移动侦查。 等效亮点输出只有串行方式,传输的波特率为19.2kbps,其RS232串行传输的数据格式如图6所示。每一次连续输出3个字节。每个字节的低5位为数据,高3位为标志位。当高3位为(0,0,1)时,表示X;当高3位为(0,0,0)时,表示Y;当高3位为(0,1,0)时,表示Z。 2.7 背景消噪功能 对影像目标进行二次感光,其中有一次是添加红外光时的感光,将二次感光所得到的图像信号相减,可以抵消CMOS器件本身的噪声。无论对成像或是等效亮点模式都可以通过改变引脚选择使用。当需要二次感光时,芯片输出引脚LED_EN输出低电平,可使用该信号去控制点亮红外LED二极管的驱动电路,传感器芯片会自动对二次感光的信号进行处理,达到消除背景噪声的目的。 图7 3 应用实例 3.1 字图阅读器 字图阅读器用于近距离阅读字符或图像,通过RS232串行接口可直接将所得到的低分辨率图像送到计算机中成像和处理。字图阅读器的电路原理如图7所示。电路由两块芯片组成:主芯片为ET21X110A,引脚设置如表5所示;另一块芯片为MAX232A,用于将主芯片的输出信号转换成标准的RS232电平,以保证串行通信的正常进行。 表5 字图阅读器主芯片的引脚设置 引 脚 值 说 明 BS 1 行扫描成像模式 M1,M0 00 32%26;#215;32 BG 1 无背景消噪 EO7~EO4 1111 感光255单位 注意电路中必须使用3.58MHz的外接晶振,才能保证系统串行通信的波特率为115.2kbps。此外,由于光线过亮时才会引起CMOS感光元饱和,光线过暗又会引起感光不足,所以在阅读字图时要满足适当的光照条件。 当芯片电源接通以后,在PC机端就可以接收到芯片传送过来的图像数据。使用VB编程时,一种较简单的方法就是用VB中的MSCOMM控件。在设计程序时要注意,控件的属性设置一定要与串行通信传输速率、数据位、停止位的格式相匹配。由于每一帧图像数据传输前,芯片都会先发送两个字节的帧同步信号FFH和00H,因此可以用这一特点来检测1帧图像的起始点。 3.2 视觉跟踪演示 视觉跟踪用于目标跟踪演示。当目标物体移动时,在PC机屏幕上会有相应的反映。为形象生动起见,用一对模拟的眼球表示这种相应关系。演示时镜头对准人的手掌,当手掌移动时,眼球中的黑点会跟踪移动,就像人眼跟踪移动物体一样。 视觉跟踪演示的电路原理图与字图阅读器的电原理图大致相似,只有部分引脚设置不同,如表6所列。 表6 视觉跟踪演示主芯片的引脚设置 引 脚 值 说 明 BS 0 等效亮点模式 M1 0 32%26;#215;32 BG 1 无背景消噪 EO7~EO4 1111 感光255单位 在PC机端设计程序时,同样可以用VB中的MSCOMM控件来接收数据。由于芯片在等效亮点模式下工作,要注意控件的属性设置与字图阅读器中的有所区别,主要是传输的波特率不同。另外,数据格式也不一样。视觉跟踪演示只需要用到X坐标和Y坐标即可。 当人的手掌在镜头前移动时,眼球中的黑点会随着人手的移动而相应地移动。移动情况如图8所示。 4 结论 ET21X110A是一款低解析度的CMOS影像传感器芯片,具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点。芯片有行扫描成像和等效亮点输出两种工作模式;有并行和RS232串行两种数据传输方式,用户可根据应用情况作出选择。此外,芯片与通用微控制器或PC机的接口容易,程序设计简单,在单片机和嵌入式系统应用领域中有广泛的应用。 注:本文为期刊缩略版文章,全文请见本刊网站www.dpj.com.cn。
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