《電子技術應用》
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基于CMOS圖像傳感器的計花器設計
陳邦瓊 沈 健
健雄職業技術學院
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
關鍵詞: 傳感器 A/D CMOS
Abstract:
Key words :

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??焖貯DC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。
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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。
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    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。
    按鍵電路較簡單,主要有計花、計長、暫停鍵等,實現計花、計長、暫停檢修等功能。
    基準電壓電路為圖像傳感器提供A/D轉換參考電平。具體電路如圖3所示。
c.JPG

    顯示電路完成計花、計長結果的顯示,主要由顯示模塊及驅動電路組成,顯示模塊采用數碼管實現,也可采用液晶顯示模塊,前者結構簡單、成本低廉。
    通訊接口電路實現各計花器終端與上位機的數據傳送。在系統研制階段,還可通過通訊接口電路,獲得傳感器數據,以設定合理的整定值。
    MCU選用8位單片機即可。

3 軟件系統
    軟件系統主要由主程序、按鍵掃描程序、顯示程序等構成。
    主程序主要負責對傳感器信號進行處理,調用按健子程序和顯示子程序。圖4軟件流程圖

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4 仿真
    采用匯編語言完成程序編寫,在單片機IDE平臺UV2上,對各程序進行仿真,仿真結果表明,各程序模塊功能正確。利用模擬信號進行硬件仿真,仿真結果表明,系統完全能夠實現預定功能:根據花結整定參數,對輸入信號進行處理,統計出當前線錠上花結的數目。
 

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