引言
CCD和CMOS圖像傳感器作為固體圖像傳感器領域的競爭對手，兩者在性能表現(xiàn)上各有優(yōu)劣。
相較于CCD圖像傳感器， CMOS圖像傳感器功耗低，結構簡單，集成度高，體積小，成本低，這就使產品的便攜性和可靠性得以極大的提高。由于CMOS圖像傳感器的內部結構，使其具有高抗輻照，抗干擾能力強，因此在圖像傳感，天文觀測、小衛(wèi)星、星敏感器等應用領域表現(xiàn)出極大的應用潛力[1]。另外基于CMOS圖像傳感器的加工工藝，可以較容易的制造出大面陣的CMOS體傳感器器件，更加擴展了CMOS圖像傳感器的應用范圍。
基于CMOS圖像傳感器的視頻采集系統(tǒng)充分的利用了CMOS圖像傳感器的優(yōu)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(wěn)定，很好的滿足了CMOS圖像采集系統(tǒng)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，并且不利于向大型陣列發(fā)展；APS在象素中加入了至少一個晶體管來實現(xiàn)對信號的放大和緩沖，改善了PPS的噪聲問題，但惡化了閾值和增益的一致性，也減小了填充系數(shù)。
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(shù)傳輸型、釘扎光敏二極管型、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制電路、AD轉換器、存儲器、定時脈沖發(fā)生器和譯碼器等 [3] 。
定時控制電路用來設置傳感器的工作模式，產生工作時序，控制數(shù)據(jù)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，最后可輸出需要的數(shù)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[4]。
二．CMOS圖象視頻采集系統(tǒng)工作原理。
本視頻采集系統(tǒng)整體上按照功能可以分為三個部分：CMOS成像部分、CPLD時序控制部分、USB傳輸部分。
整個圖像采集系統(tǒng)的工作原理如下：通過CPLD發(fā)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，并將采集到的圖像數(shù)據(jù)進行打包處理，輸出給USB傳輸芯片， USB傳輸芯片再將圖像數(shù)據(jù)傳入主機，并通過上層應用程序得到采集到的圖像。
三．系統(tǒng)采用的主要芯片。
3.1 CMOS圖像傳感器芯片IBIS5-A-1300。
本系統(tǒng)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(tài)范圍最大達到100db，6．7 m×6．7 m高填充系數(shù)像元，填充系數(shù)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，可直接輸出模擬信號或數(shù)字信號，內部有大量的寄存器和控制器，可以對傳感器的工作狀態(tài)進行實時調整。芯片支持開窗技術亞采樣技術，根據(jù)實際需要實時提高幀速率[5]。
3.2 數(shù)據(jù)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集成外圍控制器，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：控制傳輸、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(shù)據(jù)總線、地址總線[6]。
3.3 Altra公司的CPLD控制芯片EPM570。
系統(tǒng)的時序控制芯片采用Atral公司的CPLD控制芯片EPM570。該芯片可以很好的完成系統(tǒng)的時序控制要求。
四．CMOS視頻成像系統(tǒng)設計。
4.1系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)。
本采集系統(tǒng)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(shù)據(jù)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圖像傳感器只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，只需采用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(shù)的幾個外部控制信號即可完成圖像的采集（本系統(tǒng)的控制信號由USB數(shù)據(jù)傳輸板上的CPLD芯片提供），且芯片內部集成了輸出放大器，數(shù)模轉換模塊，只需修改芯片中的特殊寄存器值即可改變輸出放大器的偏置電壓，增益等參數(shù)，這樣就大大降低了硬件設計的復雜度和成品的體積，具有很高的應用價值。
4.2．系統(tǒng)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制信號即可完成視頻圖像的采集輸出
本系統(tǒng)時序采用VHDL硬件描述語言設計，其核心部分為一個有限狀態(tài)機，具體狀態(tài)關系如下
系統(tǒng)工作過程如下：當系統(tǒng)上電后，CPLD產生復位信號復位整個芯片到初始狀態(tài)，然后對芯片進行并行數(shù)據(jù)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(shù)，輸出放大器增益等參數(shù)。隨后CPLD給CMOS芯片提供 ss_start信號，標志開始像素積分，ss_stop信號結束像素積分，隨后圖像傳感器即處于可讀出狀態(tài)。向CMOS發(fā)出y_start信號開始一幀圖像的讀出，發(fā)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。當一幀圖像的最后一行開始讀出時，CMOS芯片的LAST_LINE引腳變高，標志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的時序控制下，正常工作,循環(huán)讀出圖像。系統(tǒng)圖像采集模塊時序仿真波形如圖4
圖4：系統(tǒng)圖像采集模塊時序仿真波形
4.3.USB圖像采集模塊設計。
本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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。本系統(tǒng)采用芯片中的SLAVE FIFO傳輸模式[7],即不通過USB芯片中增強型8051核控制和干預，將數(shù)據(jù)直接通過USB總線，高速的傳輸?shù)絧c機中。最后利用visual c++6.0編寫上層用戶端程序，采用多線程技術，創(chuàng)建兩個線程：USB傳輸線程和圖像實時顯示線程，實現(xiàn)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(wěn)定，分辨率高。整個CMOS視頻采集系統(tǒng)結構簡單，時序設計容易，開發(fā)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。