基于CMOS圖像傳感器的計花器設計

摘要：闡述了新型CMOS圖像傳感器ME1010的結構模塊與工作方式，設計出了以ME1010為核心的計花器系統，給出了系統硬件、軟件結構，對硬件和軟件進行了計算機仿真分析。仿真結果表明該系統能夠滿足高支纖維生產過程對計花作業的要求，具有實用價值。
關鍵詞：CMOS圖像傳感器；ME1010；計花器

0 前言
織物上的疵點主要是由纖維上的花結引起的，計花器是紡織業中的一種常用設備，主要用于統計(或清除)紡錠上的花結，是確定纖維質量等級的主要依據。目前國產計花器主要有電容式和光電式兩種，精度較低，對高支纖維的處理較困難。本文提出利用CMOS圖像傳感器，進行纖維花結的感知，其精度可達0．02mm，完全可以滿足當前高支纖維的生產需要。

1 ME1010簡介
ME1010是一個使用方便的綜合圖像傳感器，由Microne公司采用專利結構開發，旨在使其更便于與計算機產品構成一個整體。不同于傳統的CCD圖像傳感器或一些新的CMOS圖像傳感器產品，ME1010圖像傳感器可提供極低速X-Y地址圖像輸出，以便于與計算機或DSP相連接。它提供了352×290個像素(其中352×288個有效像素)、一個片上放大器和配套的ADC電路。
此外，一個寬范圍的連續全屏幕電子快門功能(從1μs到255ms)可避免對很多光學設備如光圈和機械快門等的需求。這對那些緊湊而經濟的產品如定向視聽相機組件、電子監視、車載電視系統、消費品、高技術玩具等非常有吸引力。
其主要特征有：12．1μm×12．1μm的CMOS像素元；352×290像素陣列(有效元：352×288)；基于像素元的片上幀buffer；低速可按X-Y地址輸出像素信號；片上視頻放大器；片上8位A／D轉換器；低功耗(小于200mW)；全屏電子快門寬范圍連續可調；內置黑狀態參考；LCC- 48
腳封裝；
功能：
像素陣列：由352×290的光敏區組成，包括一系列的參考行和可用的352×288像素陣列。
控制信號“XYSEL”的狀態決定九位地址(ADO to AD8)的譯碼與X或Y地址對應。感光過程的初始化由VRST的電平對感光區內的各感光元素進行預置。像素陣列的初始化可以全屏一次進行，也可以通過PREC、X地址譯碼輸出以及“G”信號的組合邏輯狀態按行進行。產生的感光信號可暫存在幀buffer里，通過取樣控制信號(包括Samp信號、X譯碼輸出、SampG信號的邏輯綜合)，由X-Y地址可將此buffer內的指定內容讀出。
在讀數據期間，由X地址譯碼輸出和Sel信號共同決定哪一行像素為當前行，同時在Read信號的上升沿，對當前像素區的感光單元采樣并送至一 buffer行里。此buffer行通過多路傳輸技術輸出至輸出行Vout。多路器由Y信號的譯碼輸出控制。Y譯碼的最近一次輸出用來讀
出動態暗參考。因此，在正常的圖像讀出方式下，最重要的Y譯碼輸出是O×15F。
ME1010對由外部邏輯電路(微控制器或ASIC)指定的X-Y地址對應的感光區(當前區)的感光信號保存至模擬信號幀Buffer。由Vout腳輸出的原始像素信號是負極性信號。換言之，黑色信號的電平比白色信號的電平高。
黑色參考單元行：
感光陣列的第一行(底部)是用來對動態黑色(參考背景)進行感光。這一動態黑色參考是在取樣過程開始前，第一行的光敏元感光產生的。當選擇此行即Y譯碼輸出為15F(351)時，參考信號即輸出至Vref腳做為后續的源。這樣就為關閉信號處理器和片上模數轉換器提供了黑色參考。
片上8位模數轉換器(8-bADC)；
片上8位模數轉換器可將模擬圖像信號轉換成數字圖像信號。快速ADC的功能時序圖如下圖1所示。在ADCclock信號的下降沿對模擬圖像信號取樣，在ADC Clock低電平期間完成A／D轉換，在ADCClock的上升沿輸出數字信號。由此引起半個時鐘周期的轉換延遲(低電平寬度)。轉換范圍由外置參考電壓決定。以電源方式輸入的補償信號可將偏離信號減少到零。



2 硬件系統
本系統硬件主要由傳感器及外圍電路、按鍵電路、基準電壓電路、MCU處理器、顯示電路、與上位機通訊接口電路、電源電路等部分組成，如圖2所示。


傳感器采用ME1010型CMOS圖像傳感器，其外圍電路主要有地址譯碼與驅動電路、數據總線、采樣時鐘及控制電路、A／D控制電路等部分組成。