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ET21X110A影像传感器的原理与应用

作者:时间:2005-04-14来源:网络收藏

摘要:介绍台湾义统(Etoms)电子有限公司设计生产的CMOS芯片的特点、结构、以及

关键词:CMOS 等效亮点

由台湾义统电子有限公司设计的是一款内含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系统中。

图1

1 ET21X110A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――323232、2424、2020、1616;

*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――3232、1616;

*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

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
STRA/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
3232M1=0,M0=0M1=0
2424M1=0,M0=1 
2020M1=1,M0=1 
1616M1=1,M0=1M1=1

表4 感光时间选择

EO7~EO4感光时间
1111255个感光单元
1000143个感光单元
000131个感光单元
000015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3332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3232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3232个数据(选择最大像素时),用这些数据就可以构成1帧3232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3232个像素或1616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 脚说 明
BS1行扫描成像模式
M1,M0003232
BG1无背景消噪
EO7~EO41111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 脚说 明
BS0等效亮点模式
M103232
BG1无背景消噪
EO7~EO41111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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