中心議題：

• CMOS圖像傳感器的內部結構
• CMOS圖象視頻采集係統工作原理
• CMOS視頻成像係統設計

解決方案：

• 係統的硬件實現
• 係統的時序設計
• USB圖像采集模塊設計

由於CMOS圖像傳感器的內部結構
，使其具有高抗輻照，抗幹擾能力強，因此在圖像傳感，天文觀測

、小衛星
、星敏感器等應用領域表現出極大的應用潛力。另外基於CMOS圖像傳感器的加工工藝

，可以較容易的製造出大麵陣的CMOS體傳感器器件，更加擴展了CMOS圖像傳感器的應用範圍。基於CMOS圖像傳感器的視頻采集係統充分的利用了CMOS圖像傳感器的優點，采用USB總線供電
，即插即用
，電路簡單
，功耗低，成品體積小
，成像清晰，穩定
，很好的滿足了CMOS圖像采集係統的圖像采集要求。

一．CMOS圖像傳感器的內部結構  

目前CMOS圖像傳感器主要分為無源象素傳感器（PPS）和有源象素傳感器（APS）[2]。PPS結構簡單
，量子效率高，但是缺點是噪聲大，並且不利於向大型陣列發展
；APS在象素中加入了至少一個晶體管來實現對信號的放大和緩衝，改善了PPS的噪聲問題，但惡化了閾值和增益的一致性，也減小了填充係數。

CMOS圖像傳感器像元結構主要有光敏二極管型無源像素結構、光敏二極管型有源像素結構(見圖1)和光柵型有源像素結構
，其它特殊結構還有對數傳輸型
、釘紮光敏二極管型、浮柵放大器型等。

圖1  光敏二極管型有源像素結構圖

一個典型的CMOS圖像傳感器通常包含：一個圖像傳感器核心
，相應的時序邏輯和控製電路、AD轉換器、存儲器
、定時脈衝發生器和譯碼器等。

定時控製電路用來設置傳感器的工作模式，產生工作時序，控製數據的輸出等。像素采集到的信號在芯片內部就經過了放大、AD轉換、存儲等處理，最後可輸出需要的數字信號，也可以輸出模擬信號，這給用戶在設計時提供了較大的靈活性。

二．CMOS圖象視頻采集係統工作原理

本視頻采集係統整體上按照功能可以分為三個部分：CMOS成像部分、CPLD時序控製部分

、USB傳輸部分。

整個圖像采集係統的工作原理如下：通過CPLD發送正確時序信號給CMOS圖像傳感器，驅動其正常工作，采取合適的快門方式
，並將采集到的圖像數據進行打包處理，輸出給USB傳輸芯片， USB傳輸芯片再將圖像數據傳入主機，並通過上層應用程序得到采集到的圖像。

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三．係統采用的主要芯片

3.1 CMOS圖像傳感器芯片IBIS5-A-1300
本係統CMOS圖像采集芯片選用了Fillfactory公司的IBIS5-A-1300 COMS圖像傳感器芯片，分辨率為1280×1024，全幀采集速率最高可達27fps

，動態範圍最大達到100db，6．7 m×6．7 m高填充係數像元，填充係數可達66％,支持卷簾快門和同步快門兩種快門方式。內部集成可調整增益和偏置的輸出放大器，以及40Msamples/s高速A/D轉換模塊，A/D量化等級為10bit
，可ke直zhi接jie輸shu出chu模mo擬ni信xin號hao或huo數shu字zi信xin號hao，內nei部bu有you大da量liang的de寄ji存cun器qi和he控kong製zhi器qi，可ke以yi對dui傳chuan感gan器qi的de工gong作zuo狀zhuang態tai進jin行xing實shi時shi調tiao整zheng。芯xin片pian支zhi持chi開kai窗chuang技ji術shu亞ya采cai樣yang技ji術shu
，根gen據ju實shi際ji需xu要yao實shi時shi提ti高gao幀zhen速su率lv。

3.2 數據采集芯片 EZ-USB FX2
USB傳輸部分選用了CYPRESS公司的EZ-USB FX2芯片
，它是一個USB2.0集成外圍控製器
，該芯片支持12M/S的全速傳輸和480M/S的高速傳輸，可以使用（具有）4種USB傳輸方式：控製傳輸
、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸；該器件集成有一個增強型的8051、8.5kB的RAM、4kB的FIFO存儲器
、串行接口引擎（SIE）、通用可編程接口（GPIF）、I/O口

、數據總線、地址總線。

3.3 Altra公司的CPLD控製芯片EPM570
係統的時序控製芯片采用Atral公司的CPLD控製芯片EPM570。該芯片可以很好的完成係統的時序控製要求。

四．CMOS視頻成像係統設計

4.1係統的硬件實現
本采集係統為兩塊四層PCB板組合而成，其中一塊為視頻采集板

，一塊為USB數據傳輸板。其核心CMOS視頻圖像采集板如圖3所示。

圖3：CMOS視頻圖像采集板原理圖

從硬件設計的原理圖可以看出，CMOS圖像傳感器隻需提供少量的電源轉換器件即可正常工作，這是因為CMOS圖像傳感器功耗很小，隻需采用USB總線提供的5v電壓就可以驅動其正常工作。另外CMOS圖像傳感器芯片僅需要少數的幾個外部控製信號即可完成圖像的采集（本係統的控製信號由USB數據傳輸板上的CPLD芯片提供）

，且qie芯xin片pian內nei部bu集ji成cheng了le輸shu出chu放fang大da器qi，數shu模mo轉zhuan換huan模mo塊kuai，隻zhi需xu修xiu改gai芯xin片pian中zhong的de特te殊shu寄ji存cun器qi值zhi即ji可ke改gai變bian輸shu出chu放fang大da器qi的de偏pian置zhi電dian壓ya，增zeng益yi等deng參can數shu，這zhe樣yang就jiu大da大da降jiang低di了le硬ying件jian設she計ji的de複fu雜za度du和he成cheng品pin的de體ti積ji，具ju有you很hen高gao的de應ying用yong價jia值zhi。

4.2．係統的時序設計
CMOS圖像傳感器結構簡單，內部集成度高
，因此僅需很少的外部控製信號即可完成視頻圖像的采集輸出。係統工作過程如下：當係統上電後，CPLD產生複位信號複位整個芯片到初始狀態，然後對芯片進行並行數據注入，向CMOS圖像傳感器的特殊寄存器寫入預定值，設置諸如像元積分時間
，像素讀出行數
，輸出放大器增益等參數。隨後CPLD給CMOS芯片提供 ss_start信號，標誌開始像素積分

，ss_stop信號結束像素積分，隨後圖像傳感器即處於可讀出狀態。向CMOS發出y_start信號開始一幀圖像的讀出
，發出y_clock信號，開始一行圖像的讀出，當CMOS圖像傳感器有像素信號輸出時
， pxl_valid引腳信號為高，此時CMOS圖像傳感器正在進行一行圖像的輸出，當pxl_valid變低時，一行圖像輸出結束，CPLD再提供下一個y_clock信號，啟動CMOS進行下一行圖像的讀出。當一幀圖像的最後一行開始讀出時
，CMOS芯片的LAST_LINE引腳變高，標誌一幀圖像讀出的結束，CPLD再產生下一個ss_start信號，開始下一幀圖像的讀出。這樣，CMOS就在CPLD的時序控製下，正常工作,循環讀出圖像。

4.3.USB圖像采集模塊設計
本係統的數據采集模塊采用cypress公司的EZ­_USB FX2 ,USB傳輸芯片，通過編寫固件程序，使該芯片工作在高速批量傳輸方式。本係統采用芯片中的SLAVE FIFO傳輸模式,即不通過USB芯片中增強型8051核控製和幹預
，將數據直接通過USB總線，高速的傳輸到pc機中。最後利用visual c++6.0編寫上層用戶端程序
，采用多線程技術
，創建兩個線程：USB傳輸線程和圖像實時顯示線程，實現了在pc機中的實時圖像顯示。

五.試驗結果

從試驗拍攝的鑒別率靶圖像可以看到，CMOS圖像傳感器成像清晰，穩定，分辨率高。整個CMOS視頻采集係統結構簡單，時序設計容易
，開發周期短，其成品體積小，外圍器件少
，成本低，采用USB總線供電，即插即用，具有很高的實用價值。