鄧小云

（重慶財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院，重慶 402160）

CMOS 圖像傳感器采用先進(jìn)的集成電路制造工藝，作為一種新型的科學(xué)級(jí)集成芯片，其體積更小、質(zhì)量更輕，而且開發(fā)起來(lái)比較簡(jiǎn)單、功耗也較低，在高性能的圖像采集系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 圖像傳感器介紹和CMOS 圖像傳感器結(jié)構(gòu)及基本工作原理

1.1 圖像傳感器

與早期的CCD 圖像傳感器相比，CMOS 圖像傳感器在像素陣列中采用了有源像素傳感器，該結(jié)構(gòu)既能夠有效的完成光到電荷再到電壓的轉(zhuǎn)換，也能夠進(jìn)一步放大轉(zhuǎn)換得到的電壓，使其能夠具有一定的驅(qū)動(dòng)能力。

1.2 CMOS 圖像傳感器結(jié)構(gòu)和基本工作原理

針對(duì)CMOS 圖像傳感器，其可以說(shuō)是一個(gè)完整的單片圖像系統(tǒng)。CMOS 圖像傳感器由很多部件組成，時(shí)序邏輯、可編程功能以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是其組成部分。其基本工作原理就是在CMOS 圖像傳感器中存在像素單元，該單元在感受到光的照射后，能夠完成相應(yīng)的充電過(guò)程，模擬電壓經(jīng)過(guò)放大電路進(jìn)行放大處理，之后再輸出到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換模塊。如果模擬電壓過(guò)小，就需要使用兩極放大電路進(jìn)行作用，增益可編程放大器再對(duì)模擬電壓進(jìn)行放大，滿足轉(zhuǎn)換模塊所需求的電量，經(jīng)過(guò)一系列作用后最后以并行的形式輸出。

2 ARM 下的CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

關(guān)于ARM 系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)：

嵌入式處理器需要使用兩組電源，對(duì)于接口供電電源，其電壓值需要達(dá)到3.3V，而針對(duì)內(nèi)核和內(nèi)外的設(shè)供電電源，需要達(dá)到2.5V 的電壓。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)總電源電路供給，其電壓值需要保持在穩(wěn)定的5V 電壓，低壓差電源芯片通過(guò)對(duì)5V 電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，能夠得到3.3V 和2.5V 電源。

在CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)中，晶振電路的作用是向系統(tǒng)的CPU 和其他電路提供工作時(shí)鐘。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求可以選擇10MHz 的晶振，系統(tǒng)的相關(guān)電路具有頻率放大和信號(hào)提純的功能，通過(guò)利用這些功能，使用較低的外部時(shí)鐘信號(hào)，就可以獲得較高的工作頻率，并降低相應(yīng)的噪聲。系統(tǒng)中使用的復(fù)位電路是一種4引腳并帶有手動(dòng)復(fù)位的復(fù)位芯片。

在CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)中，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器接口電路使用的是閃存存儲(chǔ)器，閃存存儲(chǔ)器具有非易失性的特點(diǎn)，其還能夠在系統(tǒng)中進(jìn)行電擦寫，而且在掉電后信息不回丟失。通過(guò)使用內(nèi)如遷入的算法可以完成對(duì)芯片的操作，而且該存儲(chǔ)器具有功耗低、容量大、擦寫速度快等性能，在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

在CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)中，還要使用到串行接口電路，串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)在不同設(shè)備號(hào)之間進(jìn)行交換的標(biāo)準(zhǔn)是RS-485，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485接口采用的是屏蔽雙絞線傳輸，其接口組成的半雙工網(wǎng)格也只需要二根連線就可以。

2.2 關(guān)于CMOS 圖像傳感器模塊的設(shè)計(jì)

在圖像采集系統(tǒng)中，用到的ETZ1X13OD 圖像傳感芯片是系統(tǒng)的重要組成部分。ETZ1X13OD 圖像傳感芯片工作時(shí)的電壓為3.3V，根據(jù)輸出的時(shí)序邏輯，該圖像傳感芯片可以讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，針對(duì)scLK 串行接口時(shí)鐘，ARM 處理器的I2C 總線接口與其相連接。I2C 總線接口具有簡(jiǎn)單性和有效性的特點(diǎn)，其一般由兩條信號(hào)組成，通過(guò)sDA 及sCL 兩根線進(jìn)行信息的傳遞。I2C 總線有三種類型信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送，包括開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。

2.3 CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)中，采用的是嵌入式Linux 系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，其一般分為引導(dǎo)加載程序、Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序等4個(gè)層次。對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行初始化并建立內(nèi)存空間的映射表，一般會(huì)采用BootLoader 小程序，從而創(chuàng)建適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟件環(huán)境。

在ARM 硬件平臺(tái)上，uCLinux 的移植可以分為4 個(gè)過(guò)程：首先要下載源碼，對(duì)交叉編譯環(huán)境進(jìn)行創(chuàng)建；在配置和編譯內(nèi)核時(shí)，根據(jù)不同的需求，要對(duì)源碼進(jìn)行相應(yīng)的修改；針對(duì)根文件系統(tǒng)，需要制作相應(yīng)的程序進(jìn)行掛載；根文件系統(tǒng)中也需要添加相應(yīng)的應(yīng)用程序。

針對(duì)軟件模塊的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的目的是控制相應(yīng)的硬件設(shè)備，對(duì)圖像采集、識(shí)別以及傳輸?shù)墓δ苓M(jìn)行很好的實(shí)現(xiàn)?？刂茣r(shí)序有好多部分組成，其中主要的是I2C 驅(qū)動(dòng)、圖像數(shù)據(jù)采集以及傳輸程序等。針對(duì)圖像傳感器的圖像采集，首先要配置CMOS 傳感器的寄存器值，通過(guò)I2C 接口對(duì)寄存器值進(jìn)行修改，在進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)工作，當(dāng)檢測(cè)完相應(yīng)的的信號(hào)后，就可以開始對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)就想一個(gè)像素的值，讀完第一個(gè)開始返回讀取第二個(gè)，依次循環(huán)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的CCD圖像采集系統(tǒng)功能比較簡(jiǎn)單、體積還較大，在進(jìn)行圖像采集時(shí)速度也較慢，并且功能消耗也較大，不能夠滿足社會(huì)日益發(fā)展的需求。而以ARM 為基礎(chǔ)的CMOS 數(shù)字圖像傳感器圖像采集系統(tǒng)，能夠更好的完成圖像采集工作。