基于CMOS图像传感器的视频采集系统

（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
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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 Biblioteka 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
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
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
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
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
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。
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。
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 。