基于CMOS圖像傳感器的計花器設(shè)計

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)計出了以ME1010為核心的計花器系統(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)過程對計花作業(yè)的要求，具有實用價值。
關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；ME1010；計花器

0 前言
織物上的疵點(diǎn)主要是由纖維上的花結(jié)引起的，計花器是紡織業(yè)中的一種常用設(shè)備，主要用于統(tǒng)計(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。