毕业设计（论文）-基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计.doc

2012届毕业生毕业设计说明书题 目: 基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计 年 月 日 目 次 1 概述11.1 选题背景11.2 研究目的和意义11.3 CMOS图像传感器国内外研究现状21.4 主要研究内容32 方案论证32.1 CMOS与CCD比较32.2 CMOS图像传感器工作原理52.3图像处理芯片选择72.4 FPGA工作原理82.5 总线介绍92.6 系统总体方案设计103 图像采集系统硬件设计113.1 图像传感器外围电路设计123.2 FPGA与图像传感器连接设计143.3 数据传输电路设计153.4采集图像缓存电路163.5 电源电路设计163.6 系统稳定性设计174 系统采集方案软件设计184.1 CMOS图像传感器数据采集流程图204.2 SCCB总线接口设计204.3 FPGA程序流程设计215 总结22参考文献241 概述1.1 选题背景 现代社会人们对于图像的获取的要求越来越高，不仅在日常生活中存在着视频图像的应用，在现代工业生产中图像的采集程度直接影响到整个工业的自动化水平和生产效益。因此图像传感器获得很好的应用市场和发展机会，在应用中不断得到创新。因此图像传感器的种类繁多，能适用于不同的场合。在图像获取与运用中，图像传感器占据着重要的位置，因此越来越多的专家学者致力于图像处理的分析研究，并且取得了非常成功的效果。在很长一段时间中，由于技术的限制，CCD一直垄断着图像传感器市场，使得成像技术的单一化。 近年来随着CMOS的不断完善，其独特的性能优势逐渐体现出来。并且在研究领域得到了发展，很多技术得到了攻克。例如抑制噪声干扰、提高分辨率等方面取得了很大突破，在市场上得到了很迅速的应用，被广泛的应用到各种图像采集系统中。本科阶段对CMOS的研究无疑会对今后的工作产生巨大的促进作用，但是CMOS图像采集技术一直被国外垄断，国内发展并不成熟。正是基于此背景，本文研究基于CMOS的数据采集方案设计技术。1.2 研究目的和意义CMOS的发展逐渐成熟，在专业人士的努力下许多不足之处得到优化和克服。由于CMOS具有体积小、成本低、低功耗、集成度高等优点，符合现代社会对便携式设备的要求，也符合节能的潮流，所以研究CMOS具有很大的价值。而在CMOS的运用过程中超高速图像传输也显得尤为重要，采用CMOS与FPGA相结合可以实现生产的运用和学术的研究，从而推动检测技术的发展。CMOS的数据采集技术不仅在数码相机、航空航天得到了应用，在雷达制导等先进军用技术上也得到了推广。正是基于此目的本课题选取了APS图像传感器，以其了解和学习CMOS的数据采集方案设计，采用FPGA作为控制核心，为CMOS技术在我国的推广进行必要的知识储备和经验积累，推动视觉检测技术的发展和应用范围。因此随着集成技术的推广，CMOS技术的不断完善，CMOS将会得到更加广泛的应用和推广。在图像传感器的应用中成为备受欢迎的产品，研究学习CMOS的使用将会对以后的工作奠定基础。 1.3 CMOS图像传感器国内外研究现状 CMOS在国外起步比较早，得到了很大的发展，所以很多核心的技术被国外一些知名的图像传感器公司所掌握。在科技领域受到了非常广泛关注的CMOS，因此在国外研究开发CMOS的公司和研究所非常多，所以很多CMOS的核心技术是得益于国外学者的努力，并被国外所掌握。CMOS的诞生要追溯到1970年，当时是在美国航天局的共同努力下所成功研制的。在上世纪八十年代，整个社会上第一片CMOS芯片研制成功了。它是由英国爱丁堡大学研制成功的，并取得一定应用。JPL公司经过不断努力，在1995年研制出了非常高效的CMOS，其像元尺寸能成功达到达到128乘以128。为了打开CMOS在消费端上的应用，使其迅速被大家接受。来自英国 Version公司在1997年取得了这项突破。同时对于CMOS的开发探索从未停止，特征尺寸不断得到优化，0.35m技术得到成功研制，最让人惊讶的就是东芝公司所取得的突破，像源的尺寸数可以达到了56 b米的平方，同时还添加上了包含彩色的滤除色效果的微透镜的技术。在2000年CMOS的主流应用产品产生，在摄像机领域取得广泛应用，它是被El本东芝公司和斯坦福大学共同研制所成功的，是有源图像传感器。 数码相机，GPRS定位和军工产品，使得CMOS得到了飞跃的进一步提升。CMOS在像素规模上的性能有了有效地改善，也得到了飞跃的发展，满足人民群众的现代生活需求。 CMOS的生产过程中大多采用0.35微米或0.3微米CMOS像素密度，这样可以达到更高的分辨率。深亚微米技术成为各行各业的发展和设计的重点，以适应人民的需要。在朝着较高的集成程度，低噪音的干扰，低成本花费，低功耗的节能，高稳定性方向发展的未来发展路径的CMOS，在应用领域将进一步提高，将进一步扩大在传感器市场的销售总量。2003年世界私人电脑产品的出货量达到了1.9亿台，数码相机和PDA的出货量和市场份额分别为54万和20万台。这些产品的推广与摄像技术的发展不能分开，这些产品大多源于相机技术的低功耗，高度集成的CMOS逐渐成为主流消费。 然而我国对CMOS的研究由于受到国情的特殊限制，起步比较晚，与发达国家相比在研究领域有很大的差距。一些核心技术和难题仍不能独立解决，在现代社会，我国从事CMOS开发和研究的单位不多，国内大多需要进口国外的产品。目前我国主要从事研究CMOS的单位有在：中国科学院、天津大学、华北工学院、西安交通大学等大专院校以及北京泰恩特电子技术有限公司。2005年中国科学院光电子研究方面的专家经过不懈的努力采用CMOS的技术研制出了光接收机，实现了跨越；广州大恒视觉传感有限公司在2009年成功研制出DH-HV31F00系列的产品，该CMOS产品分辨率可达到640 X 480，工作时最高帧频可达到45fps，并且可以实现可编程、曝光时间、增益控制的模式转换。香港自治区和宝岛台湾也进行了CMOS的开发探索，并且在技术上取得了很大进展。相比国外，我们有着很大的不足之处，为此在国内CMOS的数据采集方案的研究还具有较高的创新型，是一个新的领域，有着较高的研究价值，急需大力推进。1.4 主要研究内容本论文主要研究了CMOS图像传感器的数据采集方案设计，整体的设计流程以及各环节的联系问题，同时深入理解CMOS图像传感器的工作过程。本文第一章主要论述了本课题的研究现状，以及国内外的发展成果和本论文的研究目的。第二章主要写了本论文的总体方案设计，论文的主要思路以及各个芯片的选取。重点介绍了CMOS图像传感器的工作原理，CMOS与CCD的比较，图像传感器的控制芯片选取，介绍了FPGA的特点和工作流程。第三章是本文的重点内容，主要详细的描述了图像采集方案的设计。分别介绍了CMOS图像传感器的硬件电路设计，以及各模块的硬件电路设计和性能分析。在本章中介绍了CMOS图像传感器、缓存、PC机通过FPGA的联系过程。第四章主要介绍了图像采集过程的软件设计，主要描述了软件设计流程图。第五章主要是本文总结，总结了本文所研究的结论与成果以及本论文所存在的不足，并提出了本文的进一步研究领域。2 方案论证2.1 CMOS与CCD比较CCD一直是固体的图像传感器的，是一种电耦合器件。它主要是在光照的作用下产生了电荷的转移，通过点耦合器件对电荷的存储，从而感应了光信号。在有效信号请求的作用下，电荷可以进行定向的移动从而实现信号的传输和处理，CCD在应用中具有很高的灵敏度、较宽的光谱响应、工艺成熟、应用领域大、输出噪声小等良好性能，从而在航空航天、雷达制导、数码相机等领域有了很广阔的应用。因此CCD的应用市场在过去一直遥遥领先，但是CCD也存在很多的不足，主要表现如下：（1） 成本高昂：由于CCD在生产过程中对技术要求较高，要同时保证每个像素都必须正常工作才能满足图像的传输。因此在大规模生产中很难实现效率的有效控制，极大的增加了成本节约难度。（2） CCD的时序控制电路复杂。在CCD的使用过程中时钟同步控制是非常重要的，直接影响图像的获取和传输。在CCD的工作过程中对电源要求比较复杂，不能实现单电源供电，增加了电源难度。同时CCD无法实现在对图像的采集过程中的随机读取，这一功能又是在很多设计中所必须的。（3） 兼容性差。在现代产品工艺中，体积轻小是未来追求的主流趋势。而CCD不能与其它芯片进行集成，不利于现代发展。 CMOS在不断完善的过程中性能优势被逐渐体现出来，越来越受到人们重视。CMOS的集成度非常高，把驱动电路、模数转换电路、信号处理环节等在一块微小的器件上得到实现，极大的方便了应用，这是CCD无法拥有的。在生产过程上工艺上比较成熟，花费上也低。同时CMOS能耗非常的低，属于绿色特点。采用一个电源进行供电就能满足使用需求，这些优点克服了CCD存在的不足。从而CMOS的应用价值会非常的明显。同时CMOS信噪比高，在电荷的转移过程中是通过放大器直接进行的，所以在转移过程中减少了电荷的损失，极大的减少了外界声音的干扰，从而使得图像的清晰地得到了有效地提高。CMOS具有很高的帧读取频率，当图像传感器接收到光信号后直接进行A/D转换，从而转换成可以利用的电压信号，并且在时钟控制下进行信息的读取工作，直接可以读取。因此CMOS的传输速度将会有很大的优势。 通过对CMOS与CCD的分析比较，可以得知CCD在发展的过程中虽然技术相对成熟，同时在很长时间内得到的应用最为广泛，但是也存在很多不足与缺点。CMOS经过不断地完善和发展，其性能优势逐渐体现出来，并得到了广泛运用。虽然在很长一段时间内，高端产品仍将采用CCD，但是CMOS在中低端的应用价值也非常明显。因此综合分析后，本文选取CMOS作为图像传感器，作为本文的研究对象。2.2 CMOS图像传感器工作原理 CMOS在发展过程中先后经历了无源图像传感器、有源图像传感器和数字图像传感器的发展阶段。(1)无源图像传感器 :它的出现要追溯到上世纪,由光电二极管和开关组成.光电二极管是感光元件,负责把光信号转换为电信号.而MOS开关是一种控制元件,它受到像元阵列的控制.无源图像传感器的工艺成熟，成本低因此很容易进行大批量生产，且在同等条件下,有效地降低了单元尺寸.同时无源图像传感器的另一个优势就是基于自身的优化，在灵敏度方面也得到了改善，取得很好表现。但是这种传感器也有自身的很大缺陷.如噪声高、输出速率低等。图1 无源图像传感器 （2）有源图像传感器：在学术中有源图像传感器，简称为APS。由光电二极管，管道复位，放大器等主要结构组成。简单的工作原理如下：从源极跟随放大器控制输出信号，提高晶体管控制线选项读出的输出信号的能力。当光电二极管接收到光的刺激后产生电荷信号，这些信号是通过跟随放大器输出;通过列总线起到输出作用，从而进行读出管道的工作，进行信号输出。这种结构相对无源式像素图像传感器，增加扩大设备，大大提高了传输速率，噪声得到了有效抑制，增强驱动能力，高集成度，功耗比CCD更小。然而，APS的填充的因子是没有高到足以阻碍其推广应用的，应当认真对待。 图2 有源图像传感器（3）数字像素图像传感器：上述传感器为模拟信号传感器，但是数字像素图像传感器因其内部集成了ADC和存储单元，直接读出数字信号。因此在存储速度上得到了很大改善，传输速率也得到了很大的提高，非常适用于高速场合，因此使用也高端产品。但是数字像素图像传感器的技术不成熟，像素单元面积大，漏电流大等缺陷，仍然处于起步阶段。 图3 数字图像传感器因此本文通过综合比较之后，选取有源图像传感器。考虑到市场因素，选取所以选取比较常用的OVT公司的OV7649。其输出过程的时序电路图如图4所示： 图4 CMOS的时序电路图2.3图像处理芯片选择在图像传感器的处理芯片中，比较主流的有DSP，特定用途的专用集成电路ASIC芯片，以及FPGA。ASIC是应用于特定用户而专门进行设计的用于特定电子系统的电子芯片，ASIC芯片具有体积较小、功耗低、性能稳定的特点。在大量的生产应用中可以有效地减少了花费。但是ASIC设计复杂，设计要求技术高。并且在投入应用之后，自动化程度低，系统缺乏灵活多变的性能。一旦有新的技术和新的控制策略出项时，不能及时修改芯片，所以ASIC芯片的兼容性和实用性差。 在发展中FPGA克服了ASIC量身定制的弱点，采用半定制方法，实现了可编程电路的功能。采用了可以进行编程的独立技术，大大提高了电子产品的集成功能。每个I / O接口是独立的三态的结构，非常易于实现总线的连接方式。可以实现非常灵活的时钟来源，从外部输入的信号输入，也可以由它自己产生。可以使用多次编程，并且可以对数据进行清除，或在不改变原来电路设计的情况下，用EPPROM来进行多种操作方案的实现，不改变原来设计方案。通过上述分析本设计选取FPGA作为图像处理芯片，以便实现高集成度、低功耗实用灵活的采集方案设计。2.4 FPGA工作原理 FPGA是采用了可以进行随时编程的技术方案制造的，内部主要由三个模是什么让你这样了块组成。 当对触发装置进行触发操作时，以带动其真的很是高兴和的样子了他控制电路或I / O接口，由此产生的FPGA实现的时序逻辑模块和基本功能的逻辑单元的组成部分。模块之间通过常规连接或本身连接，从而连接到I / O的接口。用户可以通过设计好的电路部分是什么原因造成的呢真的不知道了的原理图案或汇编HDL语言进行FPGA的编程，FPGA则受到命我们在高手啊的社火中真的令后充分发挥自身职能，所有可能的结果计算，这一数据读入真的假的啊是吗的随机存储器中，以便进行读取。有有效输入数据时，FPGA可以通过自动查表把所有的数据进行有效地读出。FPGA功能非常强大，在开发使用的时候有着自己的操作语言可供选择，VHDL和使得非洲真的高兴VerilogHDL。所以要想开发一个FPGA功能是一项不易的工作，一个完整的FPGA设计要做到如下工作：进行软件编程，利用软件部分设计自己的开发语言描述；运用计算机进行设计改进；进行系统的综合比对，从而确定设计目标的完成程度；设计总体布局；再次进行仿真验证；系统调试运行。FPGA的在设计中的设计顺序如图5所示： 图5 FPGA设计框图2.5 总线介绍 在总线的设计中，本文主要用到了SCCB总线。从而实现了对图像传感器的初始化的基本操作，控制了寄存器参数初值的设定。其中最为重要的就是SIO-C与SIOD引脚，用来控制设备的停止与启动。主设备提供的SIO_C信号线和单以方向向数据传输线，协调系统的工作时序。当总线不工作，必须把SIO_C保持为高其实的真假也不知道了状态。如果需要更改的SIO_D信号线数据，则在此期间必须保持SIO_C为低电平。如果SIO-C真的非洲给你了什么呢维持在高电平的信号，那么SIO_D上的信号停留在不变状态。 SIO_D是一个双方向果真是这样子的啊的传输工具，因此主从设备都可以作为它的驱动设备来使用。SCCB的功能方框图如图6所示：图6 SCCB功能方框图 2.6 系统总体方案设计 基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计拥有数据量大、速度快的特点 因此无法进行直接读取和传输，必须加数据缓存装置，作为图像的缓存装置。在图像采集处理过程中必须保证时钟的同步，为此独立的原件会使得信息不可靠、结构复杂化而且时钟无法保证同步，因此在设计中经常采用时钟同步设计与采集处理相互独立结合的方式。一般图像采集方式如图7所示： 图7 一般图像采集方案 本设计是为了研究图像的采集方案设计，所以本文侧重点是对于图像的采集过程。从图像传感器的基本原理出发，采用软硬件相互结合的方式，综合设计。为了验证设计的性能指标，在数据采集为核心的前提下设置了简单的显示模块，用PC机方便的作为显示元件，从而可以根据显示效果有效地改进设计方案。所以系统的总体方案包括：图像采集模块，缓存模块、数据处理模块、图像显示模块，但是本设计主要研究图像的采集系统。系统的总体方案设计如图8所示：图8 图像采集总体方案 整个系统主要包括图像传感器、FPGA的系统连接模块，SRAM的图像缓存部分，外部竞争模块以及DSP的信号处理。在本采集系统中FPGA是整个系统的关键部分，不仅起到了OV7649的初始化和模式选择，以及SRAM、串口等核心部件的信息传递与联系。系统的硬件框图如图9所示： 图9 系统硬件框图 在本设计中我们选取OV7649作为CMOS图像传感器，考虑到低功耗性能和实现随机存取，因此选择ISSI公司的IS61LV25616AL芯片作为数据的存储元件。FPGA作为本次设计的核心控制模块负责APS模块的读写控制，同时还负责控制SRAM的读入，通过控制信号控制DSP的数据处理过程，此外对图像的显示起到控制作用，对PC机的使用过程阿红的没么啊真的起到控制作用。所以本次选取美国XI LIN X公司的XC3S200-4FT2586C。因此在本设计中FPGA负责协调控制，首先要控制CMOS图像传感器各个同步信号的转换，当数据写入缓存后，FPGA控制存储器、PC机、DSP与串口的协同，以便完成正确的图像处理。3 图像采集系统硬件设计在图像的采集过程中，整体来说要实现FPGA的控制功能，控制图像传感器的初始化和寄存器参数设置。在此过程中要保证采集过程的时钟同步，并正确的读入缓存，所以系统的总体硬件设计原理图如图10所示：图10 系统原理图框图因此在本设计中图像采集过程主要由图像传感器与FPGA综合实现，在采集过程中FPGA起到了控制时序，实现各部分联系的关键作用。因此在硬件电路设计中本文主要从以上方面进行展开，首先研究CMOS图像传感器的外围电路，后分析了FPGA的配置电路设计，缓存电路设计，数据传输接口设计等部分。在硬件电路设计的过程中使用PROTEL DXP作为设计工具，该软件具有强大的电路设计功能。不但可以进行电路的基本原理的绘制，而且可以进行仿真测试。因此本文选用PROTEL DXP作为设计工具。3.1 图像传感器外围电路设计图像传感器在整个电路设计中负责图像的获取是整个系统正常工作的前提，数据在采集后的输出是在整个外围硬件电路的时序控制下实现的。OV7649内部拥有十个模拟数字信号转换工具，所以在输出时可以直接输出数字信号，输出接口可以直接与FPGA连接，在使用中OV7649每一个成像单元可以单独的进行编址。CMOS图像传感器和FPGA的连接电路如图11所示： 图11 图像传感器与FPGA连接图 在本设计中图像传感器有许多格式可以进行选择，本文选用VGA视频信号输出方式。在此模式下可以产生行同步信号HREF、像素时钟信号PCLK和场同步信号VSYNC可以进行选择。在此期间把上述三种信号与FPGA口相连接。为了保证采集过程中的时钟同步，一定要保证图像传感器的时钟输入端与FPGA的全局时钟引脚相连，从而控制工作全局的时钟信号。 图11 OV7649结构框图 在传输传输图像中，图像传感器的像素时钟信号PCLK控制图像的时钟响应时间，其中HREF控制着水平的参考信号，与FPGA相互连接后对图像的传输进行控制，图像传输控制垂直图像信号受到VSYNC的控制，这使得图像传输可以得到有效地帧时序控制。OV7649管脚当进行复位是为外部进行复位，且当复位状态时为高电平。当工作时间为1ms即可正常复位，通过硬件进行复位。图12为系统的硬件复位图：RESTSW-SPSTC11ufR11kPWDN 图12 系统硬件复位图3.2 FPGA与图像传感器连接设计 在FPGA连接中涉及到了到了很多线路的接触，其中FPGA来控制图像的采集和传输。为此，FPGA的设计是由CMOS的特点而进行展开的，FPGA的内部结构原理如图13所示。在图14中，表示了信息是什么啊真的啊传输过程中的图像传感器和帧存储器的连接，是FPGA功能框图。图14译码器将时钟信号CLK，场同步信号VSYNC编译后供PC进行使用，此信号必须是三态总线信号和地址信号所允许的信号。时钟信号的控制下，在图像传感器的地址信号发生器产是什么吗真的啊生的地址信号addr和数据写入信号we，同时产生呵呵是的啊中国个缓冲区CE信号用来作为芯片选择信号。这些信号可以同时满足图像内存的时序，读、写操作，并用来直接使用。缓存设备在图像传感器的数据信施舍么啊真的啊号作用下产生三态总线信号，实现了严格的同步时钟效果;同时一级缓存器还具有自己最基本的缓存功能，为数据的传输提供了枢纽。图13 FPGA与帧存储器的图像接口电路图14 图像传感器与帧存储器之间的结构功能框图 3.3 数据传输电路设计 在数据传输中FPGA的输出信号为CMOS电平，而与其显示作用的PC机采用的是RS232协议，是基于RS232的接口电平。不能直接进行数据的传输，因此在传输过程中必须进行电平的转换，从而使得两者的电气特性保持一致。为此本文选用了电气特性转化的芯片RS232的MAX232，采用单电源供电从而实现了CMOS与RS232接口电平的转换。此芯片使用简单，与FPGA的连接电路设计非常简单，考虑到滤波与保护作用在此芯片要加入外接电阻和电容。传输电路如下图所示： 图15 FPGA输出转换 3.4采集图像缓存电路 在图像的传输过程中由于CMOS图像传感器的传输速度与PC机的接收速度存在不匹配的问题，为了使用与高速场合必须加上图像缓存装置。因此本文在设计的过程中加入两片SRAM用来实现图像的缓存。在图像的缓存中采用FPGA的控制从而使得FPGA产生地址允许信号来控制存储器的地址有效性，发出写命令WE来允许数据的读入，此外发出CE作为芯片选择信号来控制图像存储器的工作。因此还保证了时钟的同步问题，所以此模块由FPGA接收处理图像传感器的数据，然后在整个时钟控制下来控制数据的存储。图像缓存如图16所示： 图16图像传感器与SRAM的接口电路原理框图 3.5 电源电路设计 电源电路的工作是芯片正常运行的前提,任何电路的设计都离不开电源的设计.在本系统的电源设计中,综合考虑芯片的供电电压,所以要设计两种稳态直流电压进行供电,即是2.5V和3.3V供电电压.电源电路的设计虽然十分基础但是却非常重要,许多设计以及设备最后运行的失败都与电源有关,所以对于本系统的电源设计要十分认真.稳压电源的设计一般使用稳压芯片进行,稳压芯片种类繁多.市场上多见于78XX系列以及LM系列.在本设计中AMS117系列稳压电源工作稳定能输出最大电压15V所以调节范围广,然而本设计中考虑到工作电压的原因,因此选取AMS117-3.3V于AMS117-2.5V.在实验环境中由于电网电压为220V所以要用到AC-DC变换器将交流电源变换为5V直流电压,以供实验电路板使用.在稳压芯片的使用过程中考虑到电源工作的稳定以及电压质量,在三端稳压芯片的前端加上0.1uf的小电容进行电网前置滤波，以及频率补偿，在电子电路中稳压器存在高频干扰并且会产生高频率的自我激发而产生的震荡现象，此方式可以防止上述现象。电路中引入的10uf电容为点解电容，在电路正常工作中可以减小低频干扰，此干扰是由稳压电源的输出端所产生的，同时输入电源导致了此干扰。同时为了工作的稳定和电路异常时的保护作用，因此为了起到保护作用在三端稳压器的两端加入保护作用的二极管，当输入电路短路时，可以给输出作用的电容器一个放电保护和缓冲，防止点解电容两端电压作用于调整管的be结，造成稳压芯片的击穿损坏。同时为了验证电源的正常工作可以在输出端并联发光二极管用来验证电路是否正常工作。电源电路设计如图17所示： 图17 电源电路3.6 系统稳定性设计 本文种硬件电路的设计受到外界环境的干扰会产生较大的波动，例如电网电压的波动、线路间的电磁干扰、噪声干扰等，影响了系统的稳定性。然而硬件电路在投入使用后的稳定性工作直接影响到使用的效率，因此在设计中要综合环境的变化，提高系统的稳定性。结合基于CMOS图像传感器的应用领域和各个重要参数，本文在以下几个扰动方面做了研究： （1）提高电源稳定性：电源的波动将直接影响芯片的正常工作，为此在电源的设计中为了减少电源部分对芯片的影响从而把电源的布线更加的宽阔一些，减少电磁干扰。同时在电源与芯片的联系中加入与地线之间滤波电容，减少耦合作用。 （2）减少布线干扰。在布线时导线的间距将对系统产生干扰，为此在布线时要综合查阅资料，严格执行标准来进行布线。同时两条导线之间的距离不合适的话会产生一个电容效应，由此产生电磁干扰，要尽量避免这个问题。同时布线的时候要正确使用各个线的走向，尤其是那种帧频比较高地线路。 （3）合理进行线路板的设计。在线路板的制作过程中要考虑到线路板正反面布线的影响，因此正反面布线尽量保持垂直角度。在线路的设计中要重点考虑到数据总线与地址总线的关系与重要性，要单独设计尽量把二者保持平行的关系。同时提高线路之间的宽度和间距在系统允许的前提下，这样可以增强设计的稳定运行能力。4 系统采集方案软件设计基于CMOS的数据采集方案设计离不开软件的参与，在软件的配合作用下才能完成所要计划实现的功能。在本设计中软件的设计主要包括：对APS初始化以及模式选择；控制CMOS开始对数据进行采集；FPGA控制采集到得数据进行存储；存储器与PC机的数据传递显示。因此在软件设计中对各个模块进行分别设计但是又要相互联系，成为整体性配合。在整个系统中的主程序流程图如图18所示 图18 系统主程序流程图整个采集系统通电后主程序流程图得电，系统将开始正常工作。首先是在FPGA集成控制和SCCB总线控制下，进行图像传感器的初始化操作，通过对寄存器的端口进行设置，从而用来确定的工作的模式，也使得系统的数据总线和地址总线是空闲，使得整个系统有了图像采集操作的基本条件。系统开始初始化的重要工作。4.1 CMOS图像传感器数据采集流程图 整个系统的图像传感器接收采集命令后，将开始进行图像的收集过程。由FPGA进行控制，获得一帧图像，当完成一帧图像的采集时，数据自动存储在FPGA中，同时FPGA通过系统中的译码电路与接口实现把数据读入缓存中。当数据存入缓存后则开始进行对缓存进行检查，检查数据是否已满，否则继续进行图像采集工作。图像采集流程图如图19所示： 图19图像采集流程图 4.2 SCCB总线接口设计 CMOS图像传感器在使用之前必须进行初始化工作，从而才能确定CMOS图像传感器具体的参数设置以及工作方式。如曝光时间，窗口的大小，收集帧频率和其他参数的设置。这些参数的设置不能与CMOS传感器各个控制寄存器参数的设置相分离，CMOS传感器中的SCCB总线来完成所有的寄存器内的设定。 SCCB总线串行总线的I2C结构，使用一个单一的，双向两线结构。 SCCB的控制受到SCCB的-E信号接口的实时控制。如果系统想要SCCB启动工作，那么SCCB-E信号必须是由低到高进行必要的跳转。否则，当SCCB-E信号从低到高进行跳变的时候，SCCB停止数据传输过程。同时可以在开始的前后时间把SIO-D设置为高电平，从而有效地避免了无用信息的干扰，这样就可以实现上述功能。在数据传输期间，SCC-E处于低电平的状态不改变，这是其特点之一。在此过程中SIO-C上每当出现正脉冲时，系统的传送工作开始，进行数据的一位传送。 4.3 FPGA程序流程设计 在FPGA地程序设计中采用HDL语言进行编译，编译过程中采用多模块分开进行，分为若干进程，最后进行统一。FPGA的开发过程中要综合考虑FPGA在使用过程中的信号问题，在本设计中FPGA的工作主要受到四种信号的控制和参与，有HREF以及PLCK、VSYNC、WE信号在FPGA工作中发挥着重要作用。其中在图像采集的过程中图像传感器将会产生水平参考信号HREF，以及在帧控制中的帧同步信号VSYNC。在像素时钟信号PLCK的综合参与下对FPGA的工作提供请求，其中WE信号为采集起始的控制信号。在每一个图像数据进行采集开始的时候，在此期间VSYNC将产生一个正的脉冲信号响应。因此FPGA的程序流程图如图20所示： 图20 FPGA程序流程图5 总结 本文通过对基于CMOS图像传感器的数据采集方案设计的研究，从而对CMOS图像传感器的数据采集技术有了一定掌握。本文对CMOS的发展和工作原理进行了分析，研究了CMOS在图像获取领域所拥有的优势对CMOS图像传感器在使用过程中的关键技术做了系统的学习和描述，从而加强了对CMOS图像传感器的应用理解。对高速图像处理芯片FPGA作了总体的介绍，以及开发流程和使用，特别是FPGA在处理过程中的优势作了充分说明，对FPGA的设计语言作了研究。研究了在图像高速获取时FPGA的应用价值，以及现今主流图像处理芯片的发展。本文侧重于硬件电路的设计，通过各个模块的分析，研究了图像传感器的外围电路、FPGA的接口电路、图像的缓存电路、数据的综合传输电路、电源电路等进行了分别的设计分析。在硬件电路的设计中，对外围电路提出了通过硬件设计实现总线结构，从而方便的对图像传感器进行初始化的操作和控制。为了实现图像采集各个模块的联系以及时序的完全控制，本文设计时加强了对FPGA的研究使得FPGA在整个系统中完成了各个模块之间的联系。对图像缓存电路作了明确的说明，通过对存储芯片的合理选择，实现了数据的高速缓存。为了验证图像采集系统的时机效果，本文使用了PC机进行简单的仿真显示，增强了设计的可验证性。同时对系统的软件流程设计进行了有效地分析研究，从而提高了自己的设计能力和思维能力。从而完成了对图像采集系统软件开发部分的设计流程和整体的思路。为以后的毕业工作创造了理论基础，对图像传感器有了深入的了解学习。 同时由于本次毕业设计时间有限，论文的调查研究受到资金的制约，所以对本文的研究还停留在起步阶段，对于CMOS的应用研究只是冰山一角。本文还存在很多不足，如在采集过程中的噪声抑制问题、传输速率的提高、汇编语言的高效设计等存在不足，需要以后的进一步解决。 基于CMOS的数据采集方案设计有很大的应用和发展前景，在本文研究的基础上还有很多值得研究的问题。如CMOS图像传感器的噪声抑制；如何提高信息的传输速率；如何提高CMOS图像传感器在高性能产品中的应用等需要进一步研究。因此本设计可以做出很多的进一步的研究，特别是如何实现图像数据的高速采集，因为高速采集是现代图像传感的发展主流，为此要在高速采集和低噪声方面做出进一步研究。 致 谢 本毕业论文是在李艳军老师的帮助和悉心指导下完成的。在本论文的写作开始自己有很多困惑，由于理论知识的限制，思路受到了很大的局限。李老师学识渊博，乐于为我们指导迷惑，在此期间李老师给予了自己很大的帮助，指导自己多参阅资料和论文，在查阅资料中找灵感。正是李老师的指导和帮助，让我学习到了很多新的知识，并且学到了主动解决问题的方法。论文的初步完成时存在着很多的不足，正是李老师孜孜不倦的指导和建议才有了改进，在此向李老师表示诚挚的感谢！本毕业论文是我在校的最后一项任务，非常感谢学校提供了这次总结四年所学，集中回顾知识和提高能力的机会。在这个过程中自己弥补了很多理论的学习，同时复习了四年的主要所学，加深了对知识的理解。感谢李老师不辞辛苦的指教，相信这将使我终身受益。最后感谢我的同学，是他们陪我度过了四年的大学生活，让我在学习上得到了提高并且教会了我乐观的生活态度。感谢我的父母对我的辛苦培育，让我能够在大学四年的生活中获得良好的保障，给我提供了爱的港湾。希望自己的老师工作顺利、身体健康，祝愿自己的朋友前程似锦！ 参考文献 1 叶全来.ARM9平台下的CMOS图像传感器数据采集系统J .光机电研究论坛，2009（4）：111