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              采用复杂可编程逻辑器件实现接触式图像传感器采集系统的设计

              2020年08月20日 16:17 ? 次阅读

              1、 引言

              接触式图像传感器(Contact image sensor,简称 CIS)是由一排与扫描原稿宽度相同的光电传感阵列、 LED光源阵列和柱状透镜阵列等部件组成一种新兴图像传感器。这些部件全部集成在一个条状方形盒内,不需要另外的光学附件,没有调整光路和景深等问题,具有结构简单、体积小、应用方便等优点。在一些应用场合 CIS传感器比 CCD或 COMS等传感器有无法比拟的优点。在传真机、扫描仪、纸币清分兑零等领域应用非常广泛。

              在本文中采用复杂可编程逻辑器件CPLD)设计一个新型的CIS传感器控制器,实现了接触式图像传感器的控制和图像数据的采集。

              2、 硬件设计

              2.1系统总体方案

              根据 CIS传感器的工作原理,其输出信号是串行输出的电压信号。因此,本文中的图像处理系统包括微处理器、CPLD???、CIS传感器接口、信号差分放大电路、图像信号的 A/D转换、双缓冲存储器接口等部分,从而实现图像的采集与处理。系统框图如图 1所示,

              采用复杂可编程逻辑器件实现接触式图像传感器采集系统的设计

              由于 CIS传感器的工作速度高,如果直接由微处理器(MPU)产生 CIS传感器的控制时序信号,则非常消耗微处理器的时间和资源。因此,本驱动电路以 CPLD为控制核心,微处理器不直接控制 CIS传感器。微处理器只需要控制 CPLD的页使能信号( P_EN)和线使 能信号(L_EN)两个信号线。CPLD就能够自动完成 CIS控制时序的产生、A/D转换器控制时序的产生、数据的暂存和乒乓存储的总线切换等功能。这种采用 CPLD独立完成图像采集和数据存储,减少了微处理器对底层器件的控制,提高了微处理器在图像处理中的效率。

              2.2 CIS控制??橛胛⒋砥鞯慕涌谏杓?/p>

              在图 1所示的图像处理系统中, CPLD主要完成两个任务:一是完成底层器件的控制,二是实现与微处理器 MPU的外围接口。图 1中,外围接口总线分为图像采集的控制线和缓冲存储器的读写总线两类。图像采集的控制线包括页使能信号和线使能信号两个信号?;撼宕娲⑵鞯亩列醋芟甙?8位数据线 D[0..7]、17位地址线 A[0..16]、读信号线 RD、写信号线 WR和选通信号线 CS。MPU通过 CPLD实现对 IS61C1024型缓冲存储器的读写。

              2.3 CIS图像传感器的接口电路设计本文以FW2R216型CIS传感器为例,采用 EPM7128QC160型CPLD实现图像采集的控制。

              (1)CIS图像信号的放大

              CIS输出的图像信号幅值比较小,通常只有几百毫伏,而且是叠加在一个暗电流的直流信号上。因此要对信号进行放大和零点校正。采用运算放大器 LM7131构成差分放大电路实现信号的调整,如图 2所示。图中,电阻 R1=R2,R3=R4,因此可以得到:

              Vout=(Vsig-Vref)·R3/R1+V1

              V1=Vref·R5/(R5+R6)

              其中,Vref是为了去掉 CIS图像信号的暗电流分量,由基准稳压电源 LM285提供 1.25V的基准电压。V1电压是为了零点校正,由电阻 R5和 R6对 Vref分压后经电压跟随器获得。

              (3)A/D转换器的电路设计

              由于灰度图像的灰阶通常为 256级,因此选用 8位的高速并行模数转换器 TLC5540,它的最高工作频率高达 40MHz,依靠 5V单电源工作,而且内部带有基准电路构成分压电路获得参考电压。+5V

              TLC5540在其时钟信号的下降沿对输入模拟信号进行保持和采样,在 2.5个时钟周期后将转换的数据输出到内部总线上。当 TLC5540读选通信号 OE有效时,数据输出到外围管脚上。 TLC5540的接口电路如图 3所示。

              TLC5540的参考电压由精密基准电压源 TL431、电阻 R6和 R7构成的电路提供。 TLC5540的 CLK管脚和 OE管脚由 CPLD直接控制,分别为 AD_EN和 AD_CLK。当 CPLD产生的 AD_EN为下降沿时,CPLD使能 TLC5540的 OE脚将数据 AD[0..7]读取到 CPLD的内部寄存器中,实现信号由模拟到数字的转换过程。

              3、软件设计

              3.1 CPLD的逻辑功能??樯杓?/p>

              CPLD是 CIS控制??榈暮诵牟考?。根据 CPLD需要完成的任务,将 CPLD的逻辑功能划分为不同的???,包括时序控制???、 A/D数据读取???、数据暂存地址发生器、乒乓存储的总线切换和 MPU接口??榈?。CPLD逻辑功能的??槿缤?4所示。

              3.2时序控制???/p>

              时序控制??槭?CPLD在外部时钟信号 CLK控制下,根据 MPU提供的 P_EN与 L_EN信号,产生 CIS的控制时序、A/D转换器的控制时序、数据暂存的读写信号。

              (1)CIS传感器和 AD转换器的控制时序产生

              根据 CIS传感器的控制时序特性, CPLD为 CIS传感器提供时钟信号 CIS_CLK、选通信号 CIS_SI和光源控制信号 CIS_LED等。当微处理器将 P_EN置为高电平时,CPLD处于初始化状态。当 P_EN为低电平后,CPLD处于准备阶段。此时,一旦微处理器给 L_EN管脚上产生一个脉冲信号,CPLD就随后自动产生 CIS_SI信号启动 CIS,同时 CPLD的内部计数器对外部 CLK进行计数。在根据计数值 CPLD产生 AD转换器的控制信号。这一时序电路的硬件描述如下,其中 CNT是一个 0到 647的计数器。

              if P_EN =‘1’ then

              CNT《=0; AD_EN《=‘1’; CIS_SI《=‘0’;

              elsif (CLK ‘event and CLK =’1‘) then

              if L_EN =’1‘ then CNT《=1;

              elsif CNT=647 or CNT=0 then CNT《=0;

              else CNT《=CNT+1; end if;

              if CNT=2 then CIS_SI 《=’1‘;

              else CIS_SI 《=’0‘;end if;

              if CNT》=64 and CNT《=640 then AD_EN《=’0‘;

              else AD_EN《=’1‘; end if; end if;

              3.3 A/D数据读取???/p>

              A/D数据读取??榻J黄鞯氖涑鍪菰荽嬖?CPLD内部寄存器中。在 A/D转换器的读使能信号有效,即 AD_EN为 0时, CPLD为 ADC产生时钟 AD_CLK。CPLD在 AD_CLK的下降沿将 ADC的转换结果暂存在寄存器 D1中,其硬件的描述如下。

              if AD_CLK’EVENT and AD_CLK =‘0’ then D1(7 downto 0)《=AD(7 downto 0); end if;

              3.4数据暂存的地址发生器

              CIS传感器是按照一个个像素逐次串行输出。因此必须将图像数据按照地址逐次增一的格式存储在存储器 IS61C1024中。其写信号 A1_WR是由 A/D转换器的读使能信号 AD_EN和外部时钟 CLK进行逻辑与得到的,其硬件描述如下。

              A1_WR《=AD_EN and CLK;

              存储地址的产生是由一个 17位计数器 A1完成,当 P_EN=1时表示图像采集没有开始,地址计数器 A1初始化为0。当 P_EN=0时,在写信号 A1_WR的上升沿地址增 1,为下一个数据的存储提供地址。这一过程的硬件描述如下。

              If P_EN =‘1’ then A1《=(others=》‘0’); elsif A1_WR‘event and A1_WR =’1‘ then A1《=A1+1; end if;

              3.5乒乓存储功能的总线切换

              为了提高系统的效率,当 CPLD在采集数据时,微处理器同时完成前幅图像数据的处理,因此在系统中采用双缓冲存储区[2]。当 CPLD向 RAM1写数据时,缓冲区 RAM2的总线控制权交给微处理器。当微处理器完成 RAM2中数据的处理且 CPLD完成当前幅图像的采集后,总线进行切换,使 CPLD将下一幅图像的数据写入 RAM2,此时 RAM1的总线控制权切换给微处理器。总线切换由 P_EN的上升沿触发 EXCH信号取反。下面的程序是 EXCH信号在不同情况下,各总线工作状态的硬件描述。双向数据总线的 VHDL硬件描述如下。

              D《=R1D when EXCH=’0‘ and RD=’0‘ else

              R2D when EXCH=’1‘ and RD=’0‘ else

              “ZZZZZZZZ”;

              R1D《=D when EXCH=’0‘ and WR=’0‘ else

              D1 when EXCH=’1‘ and A1_WR=’0‘ else

              “ZZZZZZZZ”;

              R2D《=D1 when EXCH=’0‘ and A1_WR=’0‘else

              D when EXCH=’1‘ and WR= ’0‘ else

              “ZZZZZZZZ”;

              地址总线和控制总线切换过程的硬件描述如下。

              if EXCH =’0‘ then

              R1A《=A;R1_WR《=WR;R1_RD《=RD;

              R1_CE《=CS;R2A《=A1;R2_WR《=A1_WR;

              R2_RD《=’1‘;R2_CE《=’0‘;

              else

              R1A《= A1;R1_WR《= A1_WR; R1_RD《=’1‘;

              R1_CE《=’0‘; R2A《= A;R2_WR《= WR;

              R2_RD《=RD; R2_CE《= CS;

              end if;

              4 、结论

              图5给出了在 Quartus II 6.0中采用 EPM7128QC160型 CPLD对上述方案的仿真时序波形图,仿真结果与设计思想完全吻合。此驱动电路已在纸币清分设备中得到较好的应用。

              本文作者创新点:以 CPLD为核心实现 CIS传感器时序驱动、A/D转换器控制、双缓冲区的乒乓总线切换以及微处理器接口等功能;微处理器不直接控制底层器件,提高了微处理器的效率;采用双缓冲区的乒乓工作方式,图像采集和图像处理实现并行工作,提高了图像处理系统的性能。

              责任编辑:gt

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              “宁为太平犬,莫作离乱人”这句话准确地描述了当下医疗设备设计工程师们的处境,瞬息万变的市场发展市场发展使他们面...
              发表于 2020-08-20 06:13? 0次阅读
              当今医疗设备设计师的终极挑战是什么

              新型汽车半导体平台助力未来互联汽车发展

              随着汽车正迅速朝自动化的方向发展,汽车制造商及配件供应商也在设计新式集成电路(IC)。格芯CMOS业务部高级副...
              发表于 2020-08-20 06:04? 0次阅读
              新型汽车半导体平台助力未来互联汽车发展

              国内首款车规级LIN总线接口传感器信号调理芯片面...

              该产品隶属于NSA(C)926XX系列汽车级压力传感器信号调理芯片产品系列,支持LIN总线物理接口通....
              发表于 2020-08-19 18:22? 72次阅读
              国内首款车规级LIN总线接口传感器信号调理芯片面...

              智能家居魔镜将高科技技术融入到我们的生活之中

              智能家居魔镜越来越智能化了,从穿着、打扮、洗衣、洗澡、健康等这样的生活琐事开始。 只需说出你的诉求,....
              发表于 2020-08-19 16:24? 82次阅读
              智能家居魔镜将高科技技术融入到我们的生活之中

              采用StratixII系列FPGA器件实现运动视...

              该??橹饕涸鹗悠低枷竦牟杉?,摄像头参数的设置和云台步进电机的控制。其中,通过 I2C总线可以设定摄....
              发表于 2020-08-19 16:11? 76次阅读
              采用StratixII系列FPGA器件实现运动视...

              亚马逊为什么推迟自动驾驶汽车服务部署计划?

              目前,仅高速公路自动驾驶的概念获得了业内的关注。对于这种路线,工程师们从开始就可以将精力仅集中于让自....
              发表于 2020-08-19 15:33? 372次阅读
              亚马逊为什么推迟自动驾驶汽车服务部署计划?

              关于常见的称重传感器,它的种类类型都有哪些

              随着时代的发展,传统电子衡器已经越来越不满足于社会发展的需要,这就一定程度上促进了电子衡器的发展。其....
              发表于 2020-08-19 15:08? 93次阅读
              关于常见的称重传感器,它的种类类型都有哪些

              贸泽电子与Amphenol i2s签订全球分销协...

              气候控制压力变送器 (CCT) 专门设计用来测量汽车HVAC冷却液压力。
              发表于 2020-08-19 14:29? 125次阅读
              贸泽电子与Amphenol i2s签订全球分销协...

              关于物联网技术和自动化等技术在现代农业中的应用

              保持对内部流程的控制,从而降低生产风险。预见生产结果的能力使您可以计划更好的产品分配。如果您确切知道....
              发表于 2020-08-19 14:08? 223次阅读
              关于物联网技术和自动化等技术在现代农业中的应用

              苹果一项关于卷曲式便携式柔性OLED屏幕的专利通...

              从专利文件中来看,像扬声器和麦克风等电器元件将会被内置到卷曲后的直筒内部,同时摄像头被设计在的另外一....
              发表于 2020-08-19 14:04? 87次阅读
              苹果一项关于卷曲式便携式柔性OLED屏幕的专利通...

              纳芯微已成功推出多款数字温度传感器、集成式压力传...

              作为国内首颗车规级集成LIN总线接口的单芯片压力传感器信号调理芯片,NSA(C)9262符合AEC-....
              发表于 2020-08-19 13:41? 78次阅读
              纳芯微已成功推出多款数字温度传感器、集成式压力传...

              蜂窝移动连接对牲畜应用的挑战

              为了描述该概念,请考虑以下示例。农场主饲养大量奶牛和山羊,它们在广阔的牧场吃草,常??床坏剿?。除了....
              发表于 2020-08-19 11:46? 120次阅读
              蜂窝移动连接对牲畜应用的挑战

              无人机正射影像处理的方法和步骤分析

              不同类型的区域放控制点的方法不同,这里简单介绍一下布放控制点的方法。这里我以自己熟悉的地形为例,小面....
              发表于 2020-08-19 11:45? 135次阅读
              无人机正射影像处理的方法和步骤分析

              物联网在农业中究竟该如何应用?

              人们越来越关注如何?;さ厍虻奈蠢???蒲Ъ颐蔷嫠?,为了避免气候灾难,必须采取积极的行动。然而,人口增....
              发表于 2020-08-19 11:42? 505次阅读
              物联网在农业中究竟该如何应用?

              以色列新型城市作战无人机,可吸附在墙面上

                据介绍,这是一款类似民用无人机的小型四旋翼无人机,可在靠近建筑物时关闭螺旋桨,吸附在墙面上,从而....
              发表于 2020-08-19 11:41? 31次阅读
              以色列新型城市作战无人机,可吸附在墙面上

              在餐饮业运用“互联网+”保障食品安全

              在餐饮业,有一句广为流传的吐槽:你再也不用担心外卖小哥偷吃你的外卖了,因为他一口都不想吃。食材新鲜程....
              发表于 2020-08-19 11:18? 210次阅读
              在餐饮业运用“互联网+”保障食品安全

              如何有效用万用表现场检测称重传感器的常见故障

              使用万用表检测称重传感器 称重传感器大量用于工业称重(如皮带秤,地磅称,电子秤,人体秤等),测力检测....
              发表于 2020-08-19 11:05? 36次阅读
              如何有效用万用表现场检测称重传感器的常见故障

              采用虚拟仪器对传感器静态特性进行测试和分析研究

              传感器的工作特性通过其静、动态特性直接反映出来,静态特性是表示传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态....
              发表于 2020-08-19 10:28? 47次阅读
              采用虚拟仪器对传感器静态特性进行测试和分析研究

              低压舱利用二氧化碳/热导传感器进行环境监测

              众所周知,随着海拔的升高,大气压力、氧分压和温度逐渐降低。在海拔20000米的地方,大气压力是地面的....
              发表于 2020-08-19 10:23? 44次阅读
              低压舱利用二氧化碳/热导传感器进行环境监测

              当激光雷达传感器遇上机械臂,组成了超高智能化机械...

              或许,你见识过工厂里智能化程度超高的机械臂,他们在线上生产、分拣、装配等环节上发挥了重要作用,并能在....
              发表于 2020-08-19 09:57? 78次阅读
              当激光雷达传感器遇上机械臂,组成了超高智能化机械...

              医疗物联网降低人们对住院费用和压力

              据《枪支暴力档案》报道,在过去的四年里,美国因枪支暴力而死亡和受伤的人数不断增加,有许多复杂的因素导....
              发表于 2020-08-19 09:50? 111次阅读
              医疗物联网降低人们对住院费用和压力

              自动驾驶技术带来工业新变革

              据了解,踏歌智行重视5G技术在矿区自动驾驶系统的应用,已经与中国移动、清华大学、中国矿业大学、阳煤集....
              发表于 2020-08-19 09:45? 157次阅读
              自动驾驶技术带来工业新变革

              什么是新型分子压电材料

              今年7月,东南大学有序物质科学研究中心研究团队发现了一类新型分子压电材料,首次在压电性能上达到了传统无机压电材料...
              发表于 2020-08-19 07:58? 0次阅读
              什么是新型分子压电材料

              可用于提供交通运输数据的新工具

              法国研究机构CEA-Leti开发出可用于提供交通运输数据的新工具,包括一个可让通勤使用者佩戴的腕带型穿戴式应力监测...
              发表于 2020-08-19 07:39? 0次阅读
              可用于提供交通运输数据的新工具

              浅谈烟雾探测设备未来发展及挑战

              烟雾探测器,也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器,主要应用于消防系....
              发表于 2020-08-18 17:07? 216次阅读
              浅谈烟雾探测设备未来发展及挑战

              如何为A/D转换接口电路的数据设定一个合适的阈值

              A/D转换接口电路是数据采集系统前向通道中的一个环节,它的作用是将模拟信号转换成可供计算机处理的数字....
              发表于 2020-08-18 16:10? 50次阅读
              如何为A/D转换接口电路的数据设定一个合适的阈值

              压力量程的选用应主要考虑这三个方面的因素

              压力传感器量程选择要考虑哪些因素 广州兰瑟介绍:压力传感器的压力适用范围是分级的。这是因为压力传感器....
              发表于 2020-08-18 15:30? 56次阅读
              压力量程的选用应主要考虑这三个方面的因素

              日欧的机器人技术领先于中国大陆?

              到目前为止,这项行动已经取得了初步成功。据新松(Siasun)的一位高管在采访中表示:“我们已经在质....
              发表于 2020-08-18 15:20? 285次阅读
              日欧的机器人技术领先于中国大陆?

              物联网在互联建筑领域如何发展?

              听起来很简单:每座建筑物的背后都有一种商业模式。正如我们在Salesforce所认为的那样,每个业务....
              发表于 2020-08-18 15:02? 274次阅读
              物联网在互联建筑领域如何发展?

              阻碍智慧城市发展的因素是什么?

              根据IESCE城市运动指数,阿姆斯特丹被评为全球第十大智慧城市和西欧第四最佳城市。特别值得一提的是,....
              发表于 2020-08-18 14:41? 478次阅读
              阻碍智慧城市发展的因素是什么?

              利用虚拟仪器技术实现高精度数据采集系统的应用设计

              为了保证高精度的模/数转换结果,要求输入信号接近A/D??榈穆砍讨?。信号调理的作用是使输入信号满足....
              发表于 2020-08-18 14:06? 62次阅读
              利用虚拟仪器技术实现高精度数据采集系统的应用设计

              基于虚拟仪器技术实现中频数据采集与处理卡软件的设...

              调用CIN节点需要有C语言编程的支持,它能够将代码集成在VI中作为单独的一个VI发布,CIN 支持的....
              发表于 2020-08-18 13:59? 29次阅读
              基于虚拟仪器技术实现中频数据采集与处理卡软件的设...

              基于单片机SPCE061A实现语音环境参数测试仪...

              人们健康意识和环保意识的逐渐增强使环境参数及其对身体的影响日益受到关注。然而现实生活中人们常常身处煤....
              发表于 2020-08-18 13:48? 80次阅读
              基于单片机SPCE061A实现语音环境参数测试仪...

              国内外应变式传感器市场发展分析

              值得注意的是,在竞争激烈的国际传感器市场中,宁波柯力传感器科技股份有限公司异军突起,成为唯一一家无论....
              发表于 2020-08-18 12:10? 111次阅读
              国内外应变式传感器市场发展分析

              华为海思这些芯片设计企业在中国 MEMS 传感器...

              刚刚说过,半导体元件的类型中占比较大的就是集成电路(Integrated Circuit, 简称IC....
              发表于 2020-08-18 11:52? 614次阅读
              华为海思这些芯片设计企业在中国 MEMS 传感器...

              亚马逊购物车联结数字世界和物理物理世界,并产生奇...

              除了亚马逊,一些初创公司也已经在制造类似的智能购物车,在商店中进行测试,但是许多初创公司需要在扫描杂....
              发表于 2020-08-18 11:44? 339次阅读
              亚马逊购物车联结数字世界和物理物理世界,并产生奇...

              “房地一体”时代已经到来,无人机空中侦察的新突破

              根据自然资源部在2020年《关于加快宅基地和集体建设用地使用权确权登记工作的通知》中提出的目标,20....
              发表于 2020-08-18 11:36? 95次阅读
              “房地一体”时代已经到来,无人机空中侦察的新突破

              “合肥造”植保无人机即将亮相

              有让您回味无穷的老电影物件、连环画绘本,也有“星光熠熠”的高科技产品。在每年的文博会上,作为“科技之城”的合肥...
              发表于 2020-08-18 06:51? 0次阅读
              “合肥造”植保无人机即将亮相
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