基于CMOS图像传感器的视频采集系统
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（中科院西安光学精密机械研究所； 中国科学院研究生院）李 巍 邱 跃 洪 董 佳
ＬＩ Ｗｅｉ ＱＩＵ Ｙｕｅ－ｈｏｎｇ ＤＯＮＧ Ｊ ｉａ
摘要： 设 计 了 一 个 基 于 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 的 视 频 采 集 系 统 ， ． 详 细 介 绍 了 该 系 统 的 硬 件 电 路 和 时 序 设 计 ， 系 统 采 用 ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒｔ
创
新
图 １ 光敏二极管型有源像素结构图 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。
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）。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。
图 ３ ＣＭＯＳ 视频图像采集板原理图 从 硬 件 设 计 的 原 理 图 可 以 看 出 ， ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 只 需 提 供 少 量 的 电 源 转 换 器 件 即 可 正 常 工 作 ， 这 是 因 为 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 功 耗 很 小 ， 只 需 采 用 ＵＳＢ 总 线 提 供 的 ５ｖ 电 压 就 可 以 驱 动 其 正 常 工 作 。另 外 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 芯 片 仅 需 要 少 数 的 几 个 外 部 控 制 信 号 即 可 完 成 图 像 的 采 集（本 系 统 的 控 制 信 号 由 ＵＳＢ 数 据 传 输 板 上 的 ＣＰＬＤ 芯 片 提 供 ）， 且 芯 片 内 部 集 成了输出放大器， 数模转换模块， 只需修改芯片中的特殊寄 存器值即可改变输出放大器的偏置电压， 增益等参数， 这样 就大大降低了硬件设计的复杂度和成品的体积， 具有很高 的应用价值。 ４．２ 系统的时序设计。 ＣＭＯＳ 图像传感器结构简单， 内部集成度高， 因此仅需很少 的外部控制信号即可完成视频图像的采集输出 本系统时序 采 用 ＶＨＤＬ 硬件 描 述 语言 设 计 ， 其核 心 部 分为 一 个 有限状态机， 具体状态关系如下
３ 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
关键词： ＣＭＯＳ 图像传感器； 时序； 块传输； 卷帘快门； 同步快门
中图分类号： ＴＮ４０９
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＣＭＯＳ ｖｉｄｅｏ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ｉｍａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
李 巍： 在读硕士研究生
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
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ２７７ －
电子设计
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ４－２ 期
术
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。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。
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）０４－ ２－ ０２７７－ ０２
电子设计
基于 ＣＭＯＳ 图像传感器的视频采集系统
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ Ｏｆ Ｖｉｄ ｅ ｏ Ａｃｃｅ ｓ ｓ ｉｎ ｇ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏｎ ＣＭＯＳ Ｉｍ ａ ｇ ｅ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
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。 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 。
公 司 的 ＩＢＩＳ５－ Ａ－ １３００ 芯 片 作 为 图 像 采 集 芯 片 ，通 过 ＵＳＢ２．０ 控 制 器 ＥＺ－ ＵＳＢ ＦＸ２ 芯 片 作 为 数 据 采 集 芯 片 ， 实 现 了 图 像 数 据 的
实时采集。试验结果表明， 该系统视频采集系统成像清晰， 可靠， 能够很好的完成视频采集的要求。
２ 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。
图 ４ 系统图像采集模块时序仿真波形 ４．３ ＵＳＢ 图像采集模块设计。 本系统 的数 据 采 集模 块 采 用 ｃｙｐｒｅｓｓ 公 司 的 ＥＺ＿ＵＳＢ ＦＸ２ ， ＵＳＢ 传 输 芯 片 ， 通 过 编 写 固 件 程 序 ， 使 该 芯 片 工 作 在 高 速 批 量 传输方式。本系统采用芯片中的 ＳＬＡＶＥ ＦＩＦＯ 传输模式，即不通 过 ＵＳＢ 芯 片 中 增 强 型 ８０５１ 核 控 制 和 干 预 ， 将 数 据 直 接 通 过 ＵＳＢ 总线， 高速的传输到 ｐｃ 机中。最后利用 ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋６．０ 编写 上 层 用 户 端 程 序 ， 采 用 多 线 程 技 术 ， 创 建 两 个 线 程：ＵＳＢ 传 输 线 程和图像实时显示线程， 实现了在 ｐｃ 机中的实时图像显示。
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。
１ ＣＭＯＳ 图像传感器的内部结构
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。
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。
４ ＣＭＯＳ 视频成像系统设计。
４．１ 系统的硬件实现。 本采集系统为两块四层 ＰＣＢ 板组合而成， 其中一 块 为视 频
技 采集板， 一块为 ＵＳＢ 数据传输板。其核心 ＣＭＯＳ 视频图像采集
板如图 ３ 所示。
术
创
新
系 统 工 作 过 程 如 下：当 系 统 上 电 后 ， ＣＰＬＤ 产 生 复 位 信 号 复 位整个芯片到初始状态， 然后对芯片进行并行数据注入， 向 ＣＭＯＳ 图像传感器的特殊寄存器写入预定值， 设置诸如 像 元 积 分时间， 像素读出行数， 输出放大器增益等参数。随后 ＣＰＬＤ 给 ＣＭＯＳ 芯 片 提 供 ｓｓ＿ｓｔａｒｔ 信 号 ， 标 志 开 始 像 素 积 分 ， ｓｓ＿ｓｔｏｐ 信 号 结束像素积分， 随后图像传感器即处于可读出状态 。向 ＣＭＯＳ 发出 ｙ＿ｓｔａｒｔ 信号开始一 帧 图 像的 读 出 ， 发出 ｙ＿ｃｌｏｃｋ 信 号 ， 开始 一 行 图 像 的 读 出 ， 当 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 有 像 素 信 号 输 出 时 ， ｐｘｌ＿ｖａｌｉｄ 引 脚信 号 为 高 ， 此 时 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 正 在 进 行 一 行 图 像 的 输 出 ， 当 ｐｘｌ＿ｖａｌｉｄ 变 低 时 ， 一 行 图 像 输 出 结 束 ， ＣＰＬＤ 再 提供 下 一 个 ｙ＿ｃｌｏｃｋ 信 号 ， 启 动 ＣＭＯＳ 进 行 下 一行 图 像 的读 出 。 当 一 帧 图 像 的 最 后 一 行 开 始 读 出 时 ， ＣＭＯＳ 芯 片 的 ＬＡＳＴ＿ＬＩＮＥ 引 脚 变 高 ， 标 志 一 帧 图 像 读 出 的 结 束 ， ＣＰＬＤ 再 产 生 下 一 个 ｓｓ＿ｓｔａｒｔ 信 号 ， 开始 下 一 帧图 像 的 读出 。这 样 ， ＣＭＯＳ 就 在 ＣＰＬＤ 的时序控制下， 正常工作，循环读出图像。系统图像采集模块时 序仿真波形如图 ４
ｇｏａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｈａｓ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｒｅｓｕｌｔ．
技
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ； Ｔｉｍｉｎｇ； Ｂｕｌｋ ｔｒ ａｎｓｆｅｒ ； Ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｈｕｔｔｅｒ ； Ｓｙｎｃｈｒ ｏｎｏｕｓ ｓｈｕｔｔｅｒ
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。
ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｉｎｇ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｌｅｃｔｓ ＩＢＩＳ５－ Ａ－ １３００ ａｓ ｉｔｓ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｈｉｐ ａｎｄ ＥＺ－ ＵＳＢ ＦＸ２ ａｓ ｉｔｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｃｈｉｐ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉBaidu Nhomakorabeaｇ ｉｍａｇｅ ｃｒｅｄｉｂｌｅ ａｎｄ ｉｎ ｆｏｃｕｓ， ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｔｈｅ
ＬＩ Ｗｅｉ ＱＩＵ Ｙｕｅ－ｈｏｎｇ ＤＯＮＧ Ｊ ｉａ
摘要： 设 计 了 一 个 基 于 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 的 视 频 采 集 系 统 ， ． 详 细 介 绍 了 该 系 统 的 硬 件 电 路 和 时 序 设 计 ， 系 统 采 用 ＦｉｌｌＦａｃｔｏｒｔ
创
新
图 １ 光敏二极管型有源像素结构图 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。
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）。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。
图 ３ ＣＭＯＳ 视频图像采集板原理图 从 硬 件 设 计 的 原 理 图 可 以 看 出 ， ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 只 需 提 供 少 量 的 电 源 转 换 器 件 即 可 正 常 工 作 ， 这 是 因 为 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 功 耗 很 小 ， 只 需 采 用 ＵＳＢ 总 线 提 供 的 ５ｖ 电 压 就 可 以 驱 动 其 正 常 工 作 。另 外 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 芯 片 仅 需 要 少 数 的 几 个 外 部 控 制 信 号 即 可 完 成 图 像 的 采 集（本 系 统 的 控 制 信 号 由 ＵＳＢ 数 据 传 输 板 上 的 ＣＰＬＤ 芯 片 提 供 ）， 且 芯 片 内 部 集 成了输出放大器， 数模转换模块， 只需修改芯片中的特殊寄 存器值即可改变输出放大器的偏置电压， 增益等参数， 这样 就大大降低了硬件设计的复杂度和成品的体积， 具有很高 的应用价值。 ４．２ 系统的时序设计。 ＣＭＯＳ 图像传感器结构简单， 内部集成度高， 因此仅需很少 的外部控制信号即可完成视频图像的采集输出 本系统时序 采 用 ＶＨＤＬ 硬件 描 述 语言 设 计 ， 其核 心 部 分为 一 个 有限状态机， 具体状态关系如下
３ 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
关键词： ＣＭＯＳ 图像传感器； 时序； 块传输； 卷帘快门； 同步快门
中图分类号： ＴＮ４０９
文献标识码： Ｂ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ＣＭＯＳ ｖｉｄｅｏ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｈｉｃｈ ｃｏｌｌｅｃｔｓ ｉｍａｇｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ，ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ
李 巍： 在读硕士研究生
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
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ２７７ －
电子设计
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００８ 年 第 ２４ 卷 第 ４－２ 期
术
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。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。
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００８）０４－ ２－ ０２７７－ ０２
电子设计
基于 ＣＭＯＳ 图像传感器的视频采集系统
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ Ｏｆ Ｖｉｄ ｅ ｏ Ａｃｃｅ ｓ ｓ ｉｎ ｇ Ｓ ｙｓ ｔｅ ｍ Ｂａ ｓ ｅ ｄ Ｏｎ ＣＭＯＳ Ｉｍ ａ ｇ ｅ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
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。 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 。
公 司 的 ＩＢＩＳ５－ Ａ－ １３００ 芯 片 作 为 图 像 采 集 芯 片 ，通 过 ＵＳＢ２．０ 控 制 器 ＥＺ－ ＵＳＢ ＦＸ２ 芯 片 作 为 数 据 采 集 芯 片 ， 实 现 了 图 像 数 据 的
实时采集。试验结果表明， 该系统视频采集系统成像清晰， 可靠， 能够很好的完成视频采集的要求。
２ 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。
图 ４ 系统图像采集模块时序仿真波形 ４．３ ＵＳＢ 图像采集模块设计。 本系统 的数 据 采 集模 块 采 用 ｃｙｐｒｅｓｓ 公 司 的 ＥＺ＿ＵＳＢ ＦＸ２ ， ＵＳＢ 传 输 芯 片 ， 通 过 编 写 固 件 程 序 ， 使 该 芯 片 工 作 在 高 速 批 量 传输方式。本系统采用芯片中的 ＳＬＡＶＥ ＦＩＦＯ 传输模式，即不通 过 ＵＳＢ 芯 片 中 增 强 型 ８０５１ 核 控 制 和 干 预 ， 将 数 据 直 接 通 过 ＵＳＢ 总线， 高速的传输到 ｐｃ 机中。最后利用 ｖｉｓｕａｌ ｃ＋＋６．０ 编写 上 层 用 户 端 程 序 ， 采 用 多 线 程 技 术 ， 创 建 两 个 线 程：ＵＳＢ 传 输 线 程和图像实时显示线程， 实现了在 ｐｃ 机中的实时图像显示。
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。
１ ＣＭＯＳ 图像传感器的内部结构
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。
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。
４ ＣＭＯＳ 视频成像系统设计。
４．１ 系统的硬件实现。 本采集系统为两块四层 ＰＣＢ 板组合而成， 其中一 块 为视 频
技 采集板， 一块为 ＵＳＢ 数据传输板。其核心 ＣＭＯＳ 视频图像采集
板如图 ３ 所示。
术
创
新
系 统 工 作 过 程 如 下：当 系 统 上 电 后 ， ＣＰＬＤ 产 生 复 位 信 号 复 位整个芯片到初始状态， 然后对芯片进行并行数据注入， 向 ＣＭＯＳ 图像传感器的特殊寄存器写入预定值， 设置诸如 像 元 积 分时间， 像素读出行数， 输出放大器增益等参数。随后 ＣＰＬＤ 给 ＣＭＯＳ 芯 片 提 供 ｓｓ＿ｓｔａｒｔ 信 号 ， 标 志 开 始 像 素 积 分 ， ｓｓ＿ｓｔｏｐ 信 号 结束像素积分， 随后图像传感器即处于可读出状态 。向 ＣＭＯＳ 发出 ｙ＿ｓｔａｒｔ 信号开始一 帧 图 像的 读 出 ， 发出 ｙ＿ｃｌｏｃｋ 信 号 ， 开始 一 行 图 像 的 读 出 ， 当 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 有 像 素 信 号 输 出 时 ， ｐｘｌ＿ｖａｌｉｄ 引 脚信 号 为 高 ， 此 时 ＣＭＯＳ 图 像 传 感 器 正 在 进 行 一 行 图 像 的 输 出 ， 当 ｐｘｌ＿ｖａｌｉｄ 变 低 时 ， 一 行 图 像 输 出 结 束 ， ＣＰＬＤ 再 提供 下 一 个 ｙ＿ｃｌｏｃｋ 信 号 ， 启 动 ＣＭＯＳ 进 行 下 一行 图 像 的读 出 。 当 一 帧 图 像 的 最 后 一 行 开 始 读 出 时 ， ＣＭＯＳ 芯 片 的 ＬＡＳＴ＿ＬＩＮＥ 引 脚 变 高 ， 标 志 一 帧 图 像 读 出 的 结 束 ， ＣＰＬＤ 再 产 生 下 一 个 ｓｓ＿ｓｔａｒｔ 信 号 ， 开始 下 一 帧图 像 的 读出 。这 样 ， ＣＭＯＳ 就 在 ＣＰＬＤ 的时序控制下， 正常工作，循环读出图像。系统图像采集模块时 序仿真波形如图 ４
ｇｏａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｈａｓ ｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ ｒｅｓｕｌｔ．
技
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ＣＭＯＳ ｉｍａｇｅ ｓｅｎｓｏｒ ； Ｔｉｍｉｎｇ； Ｂｕｌｋ ｔｒ ａｎｓｆｅｒ ； Ｒｏｌｌｉｎｇ ｓｈｕｔｔｅｒ ； Ｓｙｎｃｈｒ ｏｎｏｕｓ ｓｈｕｔｔｅｒ
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。
ｃｉｒｃｕｉｔ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｔｉｍｉｎｇ． Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｓｅｌｅｃｔｓ ＩＢＩＳ５－ Ａ－ １３００ ａｓ ｉｔｓ ｉｍａｇｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇ ｃｈｉｐ ａｎｄ ＥＺ－ ＵＳＢ ＦＸ２ ａｓ ｉｔｓ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｃｈｉｐ． Ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｇｉｖｅｎ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉBaidu Nhomakorabeaｇ ｉｍａｇｅ ｃｒｅｄｉｂｌｅ ａｎｄ ｉｎ ｆｏｃｕｓ， ｓｈｏｏｔｉｎｇ ｔｈｅ