基于ＣＰＬＤ的ＣＩＳ積分時間軟調(diào)節(jié)

摘 要：傳統(tǒng)圖像傳感器修改積分時間的過程比較麻煩，為了能實現(xiàn)積分時間的在線調(diào)節(jié)，設(shè)計一種能通過SPI口在線實時改變積分時間的圖像傳感器系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在1片可編程邏輯器件CPLD里集成圖像傳感器的驅(qū)動電路和積分時間調(diào)節(jié)電路，單片微機(jī)通過SPI同步串口和CPLD交換數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線修改積分時間。

關(guān)鍵詞：CIS圖像傳感器；SPI；積分時間；在線調(diào)節(jié)；CPLD

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-187-02

CIS Integral Time Soft-regulation Based on CPLD

YE Huanling1，YE Song2，3

(1.Guangdong Baiyun University，Guangzhou，510450，China;

2.Institute of Digital Technology，AISINO Corporation，Beijing，100097，China;3.University of Science and Technology of China，Hefei，230027，China)

Abstract：The integral time process of tradition image sensor is quite troublesome，to realize the integral time online regulation，a image sensor system can be able to online regulate the integral time through SPI is designed.In the system，integrated the drive circuit of image sensor and the regulation circuit of integral time on a piece of CPLD，the single chip microcomputer exchange data with the CPLD through SPI synchronous serial ports.The simulation result indicate that this system can realize the integral time online regulation.

Keywords：CIS image sensor;SPI;integral time;online regulation;CPLD

1 引 言

緊湊式圖像傳感器（CIS）是20世紀(jì)90年代末期才面世的一種新型光電圖像傳感器，被檢測對象是基本貼著CIS的保護(hù)玻璃表面運動的。與傳統(tǒng)的圖像傳感器CCD相比，CIS的優(yōu)點非常突出^［1-3］，如：無需外加光學(xué)成像系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)緊湊、小巧輕便、控制容易、功耗低等。一個完整的CIS由照明光源、光學(xué)成像元件、傳感器及電路、保護(hù)玻璃、外部接口外殼等部分組成，如圖1所示。

防偽圖案檢測過程自動糾偏控制系統(tǒng)^［4］使用的CIS分辨率為600 dpi，有效像元個數(shù)為192，典型時鐘為2.5 MHz，典型像元輸出頻率為5 MHz，LED光源是由3個排成一線的白光貼片LED組成。在工作時，CIS的LED光源陣列發(fā)出的光斜入射到被掃描的物體表面，從物體表面漫反射回來的光線經(jīng)過聚焦微透鏡成像到CMOS線性光電傳感器陣列上，被轉(zhuǎn)化為電信號。物體不同位置的光強(qiáng)不同，因而不同位置的MOS感光單元接收到的光強(qiáng)也不一樣，則整個MOS線性傳感器陣列上的電荷分布就記錄下了物體某一行的圖像信息。在外加移位時鐘脈沖的控制下，每個像素的電荷以電壓的形式從輸出口依次輸出，處理器依照輸出移位脈沖時序讀取CIS輸出圖像信號的電壓轉(zhuǎn)換值就可以得到物體的圖像信息。

2 CIS的積分特性

CCD器件是積分型器件，輸出電流信號既和CCD器件光敏面上的照度有關(guān)，也和兩次取樣的間隔時間即積分時間有關(guān)。CCD的輸出電流I=KEt=KQ，曝光量Q=Et，所以可以通過調(diào)節(jié)積分時間t來調(diào)節(jié)曝光量，從而提高CCD輸出圖像信號的質(zhì)量^［5］。積分時間太小，圖像信號幅值降低且各個像元信號幅值不均勻，圖像對比度降低；積分時間太長，圖像信號容易飽和，相鄰像元之間會發(fā)生光感電荷包的溢出，導(dǎo)致對比度降低。CIS圖像傳感器的積分特性和CCD的相同^［6，7］。

在CIS獲取圖像的過程中，為了得到較好的圖像信號，在所有有效圖像信號輸出之后，不應(yīng)立即產(chǎn)生下一行的轉(zhuǎn)移脈沖，而應(yīng)該再經(jīng)過大約200個左右的ΦCP周期，以保證CMOS有足夠的積分時間。這樣得到的各個像元圖像信號的幅值比較均勻，而圖像信號的對比度也比較好，如圖2、圖3所示。

圖2給出的是在相同的檢測對象（白底、1條黑線）和相同的測試環(huán)境下積分時間不同而得到的經(jīng)過放大電路之后的圖像信號。

圖3給出的是在相同的檢測對象（白底、2條黑線）和相同的測試環(huán)境下積分時間不同而得到的經(jīng)過放大電路之后的圖像信號。

3 CIS積分時間在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)

一般，圖像傳感器的驅(qū)動時序是由CPLD來產(chǎn)生的，為了改變積分時間，需要修改生成驅(qū)動時序的設(shè)計程序的參數(shù)，然后重新編譯下載，過程比較麻煩并且需要中斷圖像傳感器的工作。為了能實現(xiàn)積分時間的在線調(diào)節(jié)^［8］，設(shè)計一種能通過SPI口在線實時改變積分時間的電路。當(dāng)需要改變積分時間時，通過單片微機(jī)的SPI下載數(shù)據(jù)到CPLD里面的積分時間寄存器^{［9，10］}，可以實現(xiàn)積分時間的在線修改，不需要停止圖像傳感器的工作，也不需要重新編譯下載。實現(xiàn)電路如圖4所示。

CS_INTE是積分時間寄存器的片選信號，INTE_DATA_IN連接到單片微機(jī)同步串口SPI的MOSI（Master Out Searial In）數(shù)據(jù)引腳，積分時間寄存器的時鐘CLOCK端口連接到單片微機(jī)同步串口（SPI）的移位脈沖時鐘引腳。為了在SPI傳送數(shù)據(jù)過程中不影響原來的驅(qū)動時序的產(chǎn)生，積分時間寄存器（lpm_shiftreg1模塊）的輸出先經(jīng)過1個鎖存器，在SPI口傳送完數(shù)據(jù)后，再把寄存器的內(nèi)容鎖存起來，送給SP_GEN模塊實現(xiàn)積分時間的在線調(diào)節(jié)。CIS傳感器的像元移位脈沖信號CP_CLK連接到SP_GEN模塊，用于產(chǎn)生行同步信號和場同步信號。

4 仿真結(jié)果

仿真波形如圖5所示，TOTAL_PIXEL是32位計數(shù)器計數(shù)得到的結(jié)果。片選信號CS_LINE的設(shè)置是因為在1條SPI總線上同時掛接了其他需要在線配置數(shù)據(jù)的部件。比如前面光源調(diào)節(jié)用到的硬件PWM的配置寄存器的設(shè)置也是通過SPI口傳送數(shù)據(jù)的，所以需要為每個需要配置數(shù)據(jù)的部件設(shè)計一個片選信號。為了便于觀察仿真結(jié)果，使用簡單的數(shù)據(jù)輸入。

從圖5中結(jié)果看到，第一次發(fā)送的數(shù)據(jù)是8，也就是每個行周期是包含8個位移位脈沖，其中行轉(zhuǎn)移脈沖占用1個位移位脈沖，則1行圖像信號只含7個有效像素。3個行周期為1幀，當(dāng)場同步脈沖出現(xiàn)時，TOTAL_PIXEL輸出1幀圖像里面的有效像素個數(shù)為3×7＝21個。

在第一次發(fā)送數(shù)據(jù)之后，從圖5中可以看到SPICLK還出現(xiàn)了2次移位脈沖，不過沒有對積分時間的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，因為片選信號CS_LINE無效。第二次發(fā)送的數(shù)據(jù)是15，則1行圖像信號含有14個有效像素，TOTAL_PIXEL輸出1幀圖像里面的有效像素個數(shù)為3×14=42個。仿真結(jié)果表明，在線修改積分時間的電路實現(xiàn)完全可行。

5 結(jié) 語

為了實現(xiàn)積分在線調(diào)節(jié)，在一片可編程邏輯器件CPLD里集成圖像傳感器的驅(qū)動電路和積分時間調(diào)節(jié)電路，單片微機(jī)通過SPI同步串口和CPLD交換數(shù)據(jù)。通過仿真，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以實現(xiàn)在線修改積分時間。

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作者簡介 葉煥玲 女，1975年出生，廣西橫縣人，教師，碩士。研究方向為智能控制、光電技術(shù)、數(shù)字技術(shù)。

葉 松 男，1979年出生，博士后。2007年畢業(yè)于中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所，獲博士學(xué)位，現(xiàn)為航天信息股份有限公司博士后工作站（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士后流動站）在站博士后。研究方向為數(shù)字技術(shù)，光電技術(shù)。