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。
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，最后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[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，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高填充系數像元，填充系數可達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，可直接輸出模擬信號或數字信號，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，根據實際需要實時提高幀速率[5]。
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、數據總線、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。
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數據傳輸板上的CPLD芯片提供），且芯片內部集成了輸出放大器，數模轉換模塊，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，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。
4.3.USB圖像采集模塊設計。
本系統(tǒng)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，將數據直接通過USB總線，高速的傳輸到pc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。
