1、ET21X110A 影像传感器的原理与应用 录入 :tai-yan | 时间:2007-07-20 19:10:35 | 作者: | 来源: 采集所得 | 浏览:4 次 广告位招商 QQ：407968286上海电子元器件专业供应商：电话：021-52857981电话：021-52857982qq:394985214联系人：顾先生/谭小姐广告位招商 QQ：407968286摘要：介绍台湾义统（Etoms）电子有限公司设计生产的 CMOS 影像传感器 ET21X110A 芯片的特点、结构、原理以及应用。关键词：CMOS 影像传感器 ET21X110A 等效亮点由台湾义统电子有限公司设计的 ET21
2、X110A 是一款内含 CMOS 影响传感阵列、信号处理电路和 8 位微控制器的集成传感芯片；具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点；可广泛应用于各种低分辨率图像信号采集、移动目标侦查和字图辨认等应用系统中。图 11 ET21X110A 影像传感器的工作模式ET21X110A 影像传感器有两种工作模式：行扫描成像输出模式（ROW Data）和等效亮点输出模式（ XY Coordinate）。改变芯片引脚的连接可以选择共工作模式。11 行扫描成像模式传感器输出低分辨率图像信号，最高灰度为 64 级，1 帧图像扫描时间为 3.54ms(外接 3.58MHz 晶振)。传感器以帧为单位，按从右到左
3、、从上到下的次序不断输出每个感光元的灰度信号。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择：*图像像素323232、2424、2020、1616；*感光时间15255 个感光时间单元；*影像信号输出方式并行输出、串行输出（RS232 标准）；*背景消噪可以抵消 CMOS 器件本身的噪声对成像的影响。12 等效亮点输出模式传感器按一定的算法对采集到的 1 帧图像信号全部进行计算。计算结果是得到一组可以表征该帧图像特征的数据（称为等效亮点）。传感器输出该点的数据，即等效亮点的坐标（X、Y）和亮度（Z）。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择：*图像像素3232、1616；*等效亮点信号输出方式串
4、行输出（RS232 标准）；*背景消噪可以抵消 CMOS 器件本身的噪声对测量的影响。2 结构和原理2.1 结构ET21X110A 芯片采用 32 引脚的 PLCC 封装，外形如图 1（a）所示。使用芯片时，须将微型光学镜头安插在芯片顶部的矩形凹槽中。ET21X110A 芯片由 CMOS 传感阵列、模拟信号放大与处理模块、 A/D转换模块、状态控制模块和算法模块五部分构成，如图 2 所示。CMOS 传感阵列感光后，每个感光单元中的 CMOS 晶体管会发生电荷变化，形成一个模拟电压。该模拟电压经过放大以后，由 A/D 转换模块转换成数字信号。芯片内置的微控制器按照外接引脚电平的选择，确定芯片的工
5、作模式、参数设置、输出方式、系统复位、图像信号处理、算法处理以及 RS232 串行协议处理等。芯片主要引脚的功能说明如表 1 所列。表 1 ET21X110A 主要引脚的功能说明名 称 功 能 类 型EO（7 ：4） 感光时间选择 输入M1，M0 图像像素选择 输入RESET 系统复位 输入BS 工作模式选择 输入BG 背景消噪功能选择 输入XLT_IN 系统时钟 系统LED_EN 二次感光源 LED 控制 输出FS 帧指示信号 系统STR A/D 转换指示信号 系统D(7:2) 并行输出数据信号 输出RS232 串行输出数据信号 输出22 模式选择与设置模式选择与设置如表 2、3、4 所列。
6、表 2 工作模式和数据输出方式选择BS 工作模式 数据输出方式BS=0 行扫描成像模式 同时有串行（RS232）、并行BS=1 等效亮点模式 只有串行（RS232）表 3 图像像素选择M1,M0图像像素行成像模式 等效亮点模式3232 M1=0，M0=0 M1=02424 M1=0，M0=1 2020 M1=1，M0=1 1616 M1=1，M0=1 M1=1表 4 感光时间选择EO7EO4 感光时间1111 255 个感光单元1000 143 个感光单元0001 31 个感光单元0000 15 个感光单元当背景消噪的选择是：当 BG=0 时，要背景消噪；当 BG=1 时，不要背景消噪。图 4
7、23 行数据ET21X110A 以帧为单位输出影像数据，又称行数据。行数据表示每个像素的灰度值，数值范围为 063。每一帧图像由 3332 个像素数据组成，如图 3 所示。在每一帧图像的行开始处都添加了一个哑元（dummy）像素。哑元像素不是真实的感光元，所以每帧图像实际有效像数据为 3232 个。24 影像传感器工作时序ET21X110A 影像传感器的工作时序如图 4 所示。图中时序源是时钟信号 SCLK，经芯片内置电路分频后产生有确定对应关系的帧指示信号 FS 和模数转换指示信号 STR。由芯片内置电路产生的信号还有模数转换开始信号 ADSTART 和模数转换结束信号 ADEND。当 FS
8、 为低电平时，影像传感器处于感光期；当 FS 为高电平时，感光期结束，进入采样和模数转换期。当 STR 由高电平变为低电平时，采样开始；当 STR 由低电平变为高电平时，采样结束，模数转换开始。整个模数转换过程需要 10 个时钟周期。当 ADSTART 变为高电平后 10 个 SCLK 周期，会产生一个ADEND 信号，表明模数转换已结束。这时数据通过 D2D7 输出。2.5 图像输出方式芯片工作时，同时有并行和串行输出。选择并行输出时，传感器从引脚 D2D7 输出行数据。用户在接收并行数据时需要注意两个问题：一是要通过帧指示信号 FS 确认系统不是工作在感光期，以保证数据的有效性；二是要通过
9、模数转换结束信号 ADEND，找出行数据的起始单元。如果这两个问题都已解决，那么通过引脚 D2D7 连续接收 3232个数据（选择最大像素时），用这些数据就可以构成 1 帧 3232 个像素、具有 64 级灰度的图像了。选择串行输出时，传感器从引脚 RS232 输出串行数据，传输的波特率为 115.2kbps。串行数据的第一、二个信号为帧同步信号。芯片首先发送 FFH 和 00H，然后再发送其余的数据，用户可以通过这两个信号找出行数据的起始单元。串行数据的构成如图 5 所示，其中每个字节包含两个像素的灰度数据，所以发送 1 帧图像只需要 512 个数据就够了，按照 RS232 协议，每一个串行
10、字节包含 1 个起始位，8 位数据位和 2 个停止位。串行输出的数据只能构成 3232 个像素或 1616 个像素，具有 16 级灰度的图像。图 626 等效亮点输出当芯片工作于等效亮点输出模式时输出的是等效亮点的坐标（X、Y）和等效亮度（Z）。当成像目标移动时，等效亮点的坐标也会跟着变化。由于等效亮度与成像目标的距离有一定的对应关系，Z 可以用来表征镜头到成像目标的距离，所以，这一模式可用于测距和移动侦查。等效亮点输出只有串行方式，传输的波特率为 19.2kbps，其 RS232串行传输的数据格式如图 6 所示。每一次连续输出 3 个字节。每个字节的低 5 位为数据，高 3 位为标志位。当高
11、 3 位为（0，0，1）时，表示 X；当高 3 位为（0， 0，0）时，表示 Y；当高 3 位为（0，1，0）时，表示 Z。27 背景消噪功能对影像目标进行二次感光，其中有一次是添加红外光时的感光，将二次感光所得到的图像信号相减，可以抵消 CMOS 器件本身的噪声。无论对成像或是等效亮点模式都可以通过改变引脚选择使用。当需要二次感光时，芯片输出引脚 LED_EN 输出低电平，可使用该信号去控制点亮红外 LED 二极管的驱动电路，传感器芯片会自动对二次感光的信号进行处理，达到消除背景噪声的目的。图 73 应用实例3.1 字图阅读器字图阅读器用于近距离阅读字符或图像，通过 RS232 串行接口可直
12、接将所得到的低分辨率图像送到计算机中成像和处理。字图阅读器的电路原理如图 7 所示。电路由两块芯片组成：主芯片为ET21X110A，引脚设置如表 5 所示；另一块芯片为 MAX232A，用于将主芯片的输出信号转换成标准的 RS232 电平，以保证串行通信的正常进行。表 5 字图阅读器主芯片的引脚设置引 脚 值 说 明BS 1 行扫描成像模式M1，M0 00 3232BG 1 无背景消噪EO7EO4 1111 感光 255 单位注意电路中必须使用 3.58MHz 的外接晶振，才能保证系统串行通信的波特率为 115.2kbps。此外，由于光线过亮时才会引起 CMOS 感光元饱和，光线过暗又会引起感
13、光不足，所以在阅读字图时要满足适当的光照条件。当芯片电源接通以后，在 PC 机端就可以接收到芯片传送过来的图像数据。使用 VB 编程时，一种较简单的方法就是用 VB 中的MSCOMM 控件。在设计程序时要注意，控件的属性设置一定要与串行通信传输速率、数据位、停止位的格式相匹配。由于每一帧图像数据传输前，芯片都会先发送两个字节的帧同步信号 FFH 和 00H，因此可以用这一特点来检测 1 帧图像的起始点。32 视觉跟踪演示视觉跟踪用于目标跟踪演示。当目标物体移动时，在 PC 机屏幕上会有相应的反映。为形象生动起见，用一对模拟的眼球表示这种相应关系。演示时镜头对准人的手掌，当手掌移动时，眼球中的黑
14、点会跟踪移动，就像人眼跟踪移动物体一样。视觉跟踪演示的电路原理图与字图阅读器的电原理图大致相似，只有部分引脚设置不同，如表 6 所列。表 6 视觉跟踪演示主芯片的引脚设置引 脚 值 说 明BS 0 等效亮点模式M1 0 3232BG 1 无背景消噪EO7EO4 1111 感光 255 单位在 PC 机端设计程序时，同样可以用 VB 中的 MSCOMM 控件来接收数据。由于芯片在等效亮点模式下工作，要注意控件的属性设置与字图阅读器中的有所区别，主要是传输的波特率不同。另外，数据格式也不一样。视觉跟踪演示只需要用到 X 坐标和 Y 坐标即可。当人的手掌在镜头前移动时，眼球中的黑点会随着人手的移动而相应地移动。移动情况如图 8 所示。4 结论ET21X110A 是一款低解析度的 CMOS 影像传感器芯片，具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点。芯片有行扫描成像和等效亮点输出两种工作模式；有并行和 RS232 串行两种数据传输方式，用户可根据应用情况作出选择。此外，芯片与通用微控制器或 PC 机的接口容易，程序设计简单，在单片机和嵌入式系统应用领域中有广泛的应用。注：本文为期刊缩略版文章，全文请见本刊网站 。
