（电路与系统专业论文）基于单芯片和usb总线的高精度线陈ccd图像采集系统设计.pdf

基于单芯片和u s b 总线的高精度线阵c c d 图像采集系统设计 专业：电路与系统 研究生：王晨旭 指导教师：罗代升 摘要：随着电子技术、多媒体技术、计算机技术的不断发展，以c c d 为 采集数据源的图像采集技术也取得了长足的进步，各类图像采集设备层出不 穷。线阵c c d 图像采集系统作为图像采集系统的一个重要分支，广泛运用于 工业生产、航空航天、军事侦察等各方面，有十分重要的意义。 目前，绝大多数基于线阵c c d 的图像采集设备都尾采用分离模块搭建， 这类系统实现比较复杂，开发难度较大，周期较长，不便于成本的控制，而 且系统稳定性不高，干扰大，很难达到高精度成像的要求。 为此，我们提出采用单芯片、线阵c c d 和u s b 接口技术研究高精度图像 采集系统的课题，以解决原有图像采集系统稳定性不高、干扰太、成本高等 一系列问题。 本研究设计实现的系统，所采用的c c d 器件像元数高达1 0 5 5 0 3 。核心 处理芯片采用功能强大的l m 9 8 3 3 。该芯片集成了c c d 传感器时序控制、两种 光照模式控制、模拟信号前端处理、数字信号处理、微型步进电机控制和u s b 接口等功能模块，能完成从对c c d 输出图像信息的采集，到最后处理成计算 机能识别的数字信息的操作。计算机通过与硬件采集系统相连的u s b 接口获 取图像信息，并最后在应用程序中还原所采集的图像。 作者深入分析了系统各功能模块结构和工作原理，针对本系统的需要设 计了完整的工作原理图，并在d r o t e ld x p 中绘制了系统的p c b 版图，完成 了对p c b 电路板的安装调试。 为实现图像采集设备和上层应用程序之间的互连，在软件方面，系统采 用国际上通用的t w a i n 标准，使得基于此标准的不同的图像设备可以方便地 和支持此标准的各类图像处理软件互连。并设计了设备所需的t w a i n 标准数 据源，编写了数据源与数据源管理器之间的接口函数实现了从应用程序到 四川大学硕士学位论文 数据源的通信，在数据源内嵌入了友好的用户操作界面，便于使用者通过界 面配置系统图像采集的各类参数。 基于w d m 的驱动程序模型，开发了图像采集设备的u s b 底层驱动程序， 成功实现了系统硬件部分和软件部分的数据传输。该驱动程序采用w i n d o w s 静态图像模型的c o m 接口，并封装成为d l l 形式，方便系统加载和卸载。 完成了系统的软硬件调试，实现了硬件设备和软件系统的协同工作，通 过软件系统对硬件设备进行控制，通过手动扫描的形式采集出了图像。 关键词：u s b 线阵c c dt w a i n 图像采集u s b 驱动程序 四川大学硕士尝位论文 h i g hp r e c i s i o nl i n e a rc c di m a g ea c q m s i t i o n s y s t e mb a s e d o n s i n g l e - c h i pa n du s b b u s m a j o r ：c i r c u i t sa n ds y s t e m s s t u d e n t ：w a n g c h e n x us 1 l l 旭r v i s o r ：l u od a i s h e n g a b s t r a t c t ：w i t ht h e r a p i dp r o g r e s so fe l e c t r o n i cs c i e n c e ，。m u l t i m e d i a a n d c o m p u t e rt e c l l l l o l o g y ，d a t aa c q u i s i t i o no fc c d ，a c h i e v eg r e a taa d v a n c e a sa n i m p o r t a n tb r a n c ho fa 1 1i m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h el i n e a ri m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e mh o l d si t ss i g n i f i e a n c ea n di sv l r i d e l yu s e di na 。r 。e a 。s s u 矗a 。si n d u s 甜a l p r o d u c t i o n ，a e r o s p a c ea n dm i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e n o w a d a y s 。m o s tc c di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e m sa r eb a s e do i ls e p a r a t e d c o m p o n e n ts o l u t i o n t h i sl e a d st oh i 鼬s y s t e mc o m p l e x i t y , l o n g e r r & dp e r i o d a n dh i g h e rc o s t i na d d i t i o n , t h el o ws t a b i l i t ya n dh i 曲s i g n a li n t e r f e r e n c em a k ei t v e r yh a r dt or e a c ht h ee x p e c t a t i o nf o rh i g hp r e c i s i o ni m a g e s ， f o rt h er e a s o n sa b o v e t h i sp r o g r a mw a sb o r n i ti sb a s e do ns i n g l e - c h i p s o l u t i o n , j l i n e a rc c di a m g es e n s o r , a n du s bi n t e r f a c e ，i no r d e rt o ”s o l v et h e p r o b l e m sm e n t i o n e d a b o v e a n da c h i e v eah j 啦p r e c i s i o n i m a g ea c q u i s i t i o n s y s t e m t h i ss y s t e ms u p p o r t sp i x e lc o u n t su pt o1 0 5 5 0 x 3c o l o r s t h ep o w e r f u l l m 9 8 3 3i su s e da st h ec o r e i ti s c o m p o s e do fc c dc o n t r o lb l o c k , t w o i l l u m i n a t i o nm o d e sc o n t r o l l e r , a n a l o gf r o n te n d ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gu n i t ， m i c r o s t e p p e rm o t o rc o n t r o l l e r ，u s bi n t e r f a c ec o n 乜 o l l e r , c t c t h e s ee n a b l et h e i m a g es a m p l i n gf r o mc c da n dm a k ed i g i t a li m a g ei n f o r m a t i o na c c e p t a b l eb y c o m p u t e rv i at h eu s bi n t e r f a c e a ni n d e p t h a n a l y s i s w a st a k e nf o r s y s t e mc o m p o n e n t s a n do p e r a t i o n p r i n c i p l e s p c ba n dc o m p l e t es c h e m a t i c sw e r eo f f e r e d 喇t ht h eh e i po fp r o t e l d x p a c c o r d i n gt os y s t e mr e q u i r e m e n t s t e s t j o bw a sa l s od o n ep e r f e c t l y t h es o f t w a r es y s t e mi sb a s e do nt w a i ns p e c i f i c a t i o n a ni n t e m a t i o n a l s t a n d a r dw h i c hi si n t e n d e df o rc o n s i s t e n c ya n dc o m p a t i b i l i t yb e t w e e ni m a g e 3 h i l l 太学硕士学位论文 d e v i c e s , f o rt h ep u r p o s eo fm a l i z i n gt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ni m a g ed e v i c e sa n d u p p e rs o f t w a r e t h et w a i nd a t as o u r c ew a sd e s i g n e d ，t h ei n t e r f a c ef u n c t i o n b e t w e e nd a t as o u r c ea n ds o u r c em a n a g e rw a si m p l e m e n t e d ，w h i c hr e a l i z e s c o m m u n i c a t i o n sb e t w e e na p p l i c a t i o np r o g r a m sa n dd a t as o u r c e af r i e n d l yl l s e r i n t e r f a c ew a se m b e d d e di n t od a t as o i l r c ci no r d e rt om a k ei tc o n v e n i e n tf o ru s e r s t oc o n f i g u r ev a r i o u sk i n d so f s y s t e mp a r a m e t e r s t h em i n i - d r i v e ro ft h ei m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do n w d md r i v e rm o d e l t h ed a t ae x c h a n g eb e t w e e nh a r d w a r es e g m e n ta n ds o f t w a r e s e g m e n ti si m p l e m e n t e ds u c c e s s f u l l y t h ed r i v e rn s e sw i n d o w ss t a t i ci m a g e m o d e l sc o m p o r ta n dw a sp a c k a g e dt od l lw h i c hi se a s yt ol o a da n du n l o a db y s y s t e m 。 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e s t so f 血es y s t e ma r e c o m p l e t e d w ea l s oi m p l e m e n t e da s s o c i a t e dw o r ko fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e m ，a n dg r a b b e dt h ei m a g ea c r o s st h ec o n t r o lo ft h eh a r d w a r eb ys o f t w a r e s y s t e m - k e yw o r d s ：u s b l i n e a rc c dt w a i n i m a g ea c q u i s i t i o n u s b m i n i d r i v e r 4 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及意义 随着各类信息技术的不断发展，人类社会已进入了一个前所未有的信 息时代，人们已不再只满足于传统的文字信息，希望得到更加真实、直接的 图像信息。图像采集作为收集图像信息的主要手段，得到了国内外相关行业 的充分重视。基于c c d 的图像采集系统是目前图像采集最主要的方案，自 问世以来就得到了广泛的发展与应用，高速度、高精度、高灵敏度的图像采 集系统不断涌现，在军事、工业及航天领域发挥着越来越重要的作用。 石油地质部门在油气开发、勘探过程中，获取了大量有重要信息的地 质岩心，特别是其新鲜状态下的表面图像信息有着十分重要的资料价值，但 这些岩心极易因人为损坏和自然风化等原因而失去其应有的价值，四川大学 图像信息研究所同全国各大石油地质部门合作，早于1 9 9 8 年就开发出了国 内具有领先水平的岩心图像采集系统，用于帮助石油地质部门建立岩心数字 化图像管理系统，但由于国内没有很好的线阵c c d 图像采集方案，其系统 的核心图像采集头一直依赖进口，不仅大大增加了成本，也让整个系统工作 受到很大的局限。 本课题的目的就是要开发一套基于u s b 接口的采集速度高、精度高、 成像质量好的线阵c c d 图像采集系统，用以替代进口图像采集头。 1 2 图像采集系统 目前比较通用的图像采集系统通常都是由以下几个部分组成： 光学传感器：作用是将光信号转变成为电压或电流信号，常用的有面阵 c c d 、线阵c c d 、c m o s 图像传感器、c i s 图像传感器。 a d 转换模块：将从光学传感器接收到的信号通过模数转化变为数字信 号，以便处理。 同步及时序模块：用来控制c c d 的驱动时钟、各种同步控制时钟( a d 转换擞字信号存取1 以及存储器地址的产生。常用可编程逻辑器件c p l d 来 实现。 l 四川大学硕士学位论文 数字处理模块：d s p , 用于对数字信号进行各类处理。 接口模块：常用的接口有串口，并口，u s b 接口、s c s i 接口等等，可以 根据不同的应用需要进行选择。 这类系统的缺点是： 1 系统实现比较复杂，开发难度较大，周期较长。 2 系统成本高，由于都采用分离模块实现各项功能，不便于成本的控制。 3 系统稳定性不高，干扰大，成像质量难以保证。 而本课题所选用的是单芯片实现方式，系统采用由国家半导体公司专为 线性图像采集系统设计生产单一芯片为核心处理器，芯片实现原来由a d 转 换模块、同步及时序模块、数字处理模块、接口模块的所有功能。系统前端 采用具有1 0 5 5 0 像元3 色、分辨率高达1 2 0 0 d p i 的线阵c c d 器件，保证了 系统采集的图像质量。系统所用缓冲存储器部分，选用a l l i a n c e 半导体 公司设计生产的1 m 1 6 位动态存储器a s 4 c 1 m 1 6 e 5 5 0 ，存取时间只需5 0 n s 。 系统与计算机之间采用u s b 接口传送数据，速度快，使用方便。本系统克 服了由于分离器件构建系统所带来的一系列缺点，系统稳定性、成像质量等 都能达到应用要求。 本系统硬件框图如图1 1 所示：【l j 图1 1l m 9 8 3 3 结构图 系统软件部分是基于t w a i n 标准实现的。这是建立在图像设备和应用程 序之间的统一的通信标准，它使得不同的图像设备可以方便地和不同的图像 处理软件相连。其上层应用程序，采用w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统自带基于 2 四川大学硕士学位论文 t w a i n 标准的图像处理应用程序，应用程序通过t w a i n 数据源管理器、 t w a i n 数据源同底层图像采集设备建立联系，从而获取采集的图像信息。 软件开发平台为：w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统+ v i s u a lc + + 6 0 ，驱动部分开 发使用了w i n d o w s 2 0 0 0d d k 。 1 3 作者的工作 本研究设计实现的系统，所采用的c c d 器件像元数高达1 0 5 5 0 3 色。 核心处理芯片采用功能强大l m 9 8 3 3 。该芯片内部集成了c c d 传感器时序控 制、两种光照模式控制、模拟信号前端处理、数字信号处理、微型步进电机 控制和u s b 接口等功能模块，能完成从对c c d 输出图像信息的采集，到最 后处理成计算机能识别的数字信息的操作。计算机通过与硬件采集系统相连 的u s b 接口获取图像信息，并最后在应用程序中还原所采集图像。 作者深入分析了系统各功能模块结构和工作原理，针对本系统需要设计 了完整的工作原理图，并在p r o t e ld x p 中绘制了系统的p c b 版图，完成了 对p c b 电路板的安装调试。 为实现图像采集设备和上层应用程序之间的互连，在软件方面，系统采 用国际上通用的t w a i n 标准，使得基于此标准的不同的图像设备可以方便 的和支持此标准的各类图像处理软件互连。并设计了设备所需的t w a i n 标 准数据源，编写了数据源与数据源管理器之间的接口函数，实现从应用程序 到数据源的通信，在数据源内嵌入了友好的用户操作界面，便于使用者通过 界面配置系统图像采集的各类参数。 基于w d m 的驱动程序模型，开发了图像采集设备的u s b 的底层驱动 程序，成功实现了系统硬件部分和软件部分的数据传输。该驱动程序采用 w i n d o w s 静态图像模型的c o m 接口，并封装成为d l l 形式，方便系统加载 和卸载。 完成了系统的软硬件调试，实现了硬件设备和软件系统的协同工作，通 过软件系统对硬件设备进行控制，采集出了数字图像。 本文完成了对t w a i n 标准的分析，重点介绍了t w a i n 标准的原理、体系结 构、状态转换及它所支持的三种传输结构。 四川大学硕士学位论文 1 4 本文的结构 本文主要研究基于u s b 的线阵c c d 图像采集系统，完成了整个图像 采集系统的软硬件设计和调试，实现了在p c 端通过u s b 接口进行彩色图像 的采集传输。本文各章节的具体安排如下： 第一章：系统概述，论文的意义。文章的组织，安排。 第二章：详细介绍了线阵c c d 的发展、成像原理，以及线阵c c d 的选 型。着重介绍了系统所选型号( t o s h i b a 的t c d 2 9 0 1 ) 线阵c c d 器件的基本 性能参数，工作所需时序及工作电路。 第三章：详细介绍了系统核心芯片l m 9 8 3 3 的技术参数及特性，详细分 析了芯片内各模块的功能及实现方法。 第四章：介绍了t w a i n 标准制定的背景、基本原理，分析了t w a i n 标 准的体系结构、七个状态之间的转换及三种不同的传输方式。着重介绍了 t w a i n 标准数据源的实现，分析了在数据源实现中其接口函数d s e n t r y 的编 写和内嵌于数据源中操作界面的实现。 第五章：介绍了w i n d o w s 系统提供的静态图像模型，以及基于w d m 的驱动程序设计，分析了本系统所采用的最小驱动程序设计方法。着重分析 了最小驱动程序的加载、d l l 接口设计、静态图像接口设计等等。 第六章：主要介绍系统硬件在设计中需要注意的问题，系统在工作过 程中的整个流程情况，得出了试验结果，采集得到了数字图像。 4 四川大学硕士学位论文 第二章系统前端线阵c c d 工作原理及实现 2 1 线阵c c d 概述 c c d ( 电荷耦合器件，c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 【5 】1 7 】( 8 j 作为目前应用最 广泛的图像采集前端，是上世纪7 0 年代初发展起来的新型半导体光电成像器 件。美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g e s m i t h 教授于1 9 7 0 年提出了c c d 的概 念，随后建立了以一维势阱模型为基础的非稳态c c d 的基本理论。3 0 多年来， 随着新型半导体材料的不断涌现和器件微细化技术的日趋完备，c c d 技术得 到了很快的发展，阵c c d 像元数在不断增加，性能也有了明显改善，向着高 灵敏度、高速度和宽动态范围方向不断发展。 c c d 器件的主要功能是把二维光学图像信号转变成一维视频信号输出， 按照其组成形制的不同，一般分为线阵c c d 和面阵c c d 两大类。在本系统中， 我们采用的是线阵c c d 的扫描方式，本文中所指c c d ，除特殊说明外，一律理 解为线阵c c d 。 目前，c c d 技术已广泛应用于信号处理、数字存贮及影像传感等多个领 域。美、日、德、法等西方发达工业国无论在c c d 器件的研究和制造上都有 相当大的优势，并将这一机器视觉技术已广泛应用于军事、天文、医疗、广 播、电视传真系统、工业检测以及自动化系统。 2 2c c d 成像器件的原理 c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流 或者电压为信号。c c d 的基本功能是信号电荷的产生、存储、传输和检测。 一个完整的c c d 器件由光敏单元、转移栅、移位寄存器，及一些辅助输入、 输出电路组成，如图2 1 所示【8 】o c c d 的首要功能是完成光电转换，即产生与入射的光谱辐量度成线性关 系的光电荷。当光入射n c c d 的光敏面时，便产生了光电荷。c c d 在某一时刻 所获得光电荷与前期所产生的光电荷进行累加，称为电荷积分。入射光越强， 通过电荷积分所得到的光电荷量越大，获得同等光电荷所需的积分时间越 短。 e 四川大学硕士学位论文 广一一一一一一1 q l 毋zq 3 图2 1c c d 基本结构图 当光照射至u c c d 硅片上时，在栅极附近的半导体体内产生电子一空穴对， 其多数载流子被栅极电压排开，一少数载流子则被收集在势阱中形成信号电 荷。 光敏元阵列的扫描后，c c d 将光电荷从光敏区域转移至屏蔽存储区域。 而后，光电荷被按顺序转移至读出寄存器。 光电荷的输出是指光电荷转移通道的末端，将电荷信号转换为电压或电 流信号输出，将输出信号接到其他的图像采集设备或信号存储，处理设备中， 就可对信号再现或进行存储处理了。由于c c d 光敏元可以作到很小( 目前可 低直4 u m ) ，所以它图像的分辨率也可做到相当高。 2 3 线阵c c d 器件的选择 线阵c c d 根据其生产工艺不同，又可分为单线式线阵c c d 和三线式线阵 c c d 。 单线式线阵c c d ：只有一排感光单元，采集彩色图像时，用一排像素扫 描过图片，做三次曝光分别对应于红、绿、蓝三色滤镜，正如名称所 表示的，单线式线阵c c d 是捕捉一维图像。主要用于一些对图像质量，精度 要求不高的地方，在处理高分辨率的图像时，受局限于光照，曝光时间，和 与拍摄物体的相对位置影响，一般图像质量很难保证。 三线式线阵c c d ：有三排并行感光单元，三排像素分别覆盖r g b 三色滤镜， 6 四川大学硕士学位论文 当捕捉彩色图片时，能同时处理和传输r g b 三色图像信息，成像质量和精度 都有保障。三线c c d 传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱 色阶。 目前的线阵c c d 器件的主要生产商主要集中在日本及欧美发达国家，其 中日本的东芝( t o s h i b a ) 公司、n e c 公司、s o n y 公司生产的民用级高精度线 阵c c d 器件在市场商占有很大份额，美国则在研制和开发军用、空间应用c c d 方面一直居领先地位。 根据实际应用的需要，本系统选择东芝( t o s h i b a ) 公司的t c d 2 9 0 1 d 型 号的线阵c c d 作为图像采集的前端。 2 3 1t c d 2 9 0 1 器件介绍 w d i p 2 2 g - 4 0 0 - 2 5 4 d ( d ) p i nc o n n e c t i o n 图2 2t c d 2 9 0 1 t c d 2 9 0 i d ( m2 2 ) 3 1 是f i 本东芝( t o s h i b a ) 公司生产的线阵c c d 图像传 感芯片，感光像元数高达1 0 5 5 0 个，像元尺寸及间距为4 um 4 um ：分辨率高 达1 2 0 0d p i ，t c d 2 9 0 i d 具有灵敏度高、暗电流低等特点，并在器件内部集成 了c c d 驱动电路和筘位电路。t c d 2 9 0 1 d 时专为通信传真、图像扫描、光学字 咐 鲫 眦 k k 眦m 舢知 蜥 嗽 竹一瞄一。 虻 眦 呲 凇 撇 妣 竹 f 四川大学硕士学位论文 符阅读机等场合设计。器件由四个5 v 的驱动时钟( s h 、r s 、中1 、巾2 ) 驱动， 工作电压为1 2 伏。 t c d 2 9 0 1 d 具有如下特性： 超高的感光像元数：1 0 5 5 0 单元3 线 超小的像元间距：4 u m x 4 u m 时钟驱动方式：两相( 5 v ) 4 电源供应：1 2 v 内部电路：箝位电路 色彩：红，绿，蓝 3 2t c d 2 9 0 1 工作时序分析 任何c c d 工作舔需要具有一定时序的驱动脉冲的支持。无论是线阵c c d 还是面阵c c d ，萁驱动脉冲必须满足严格的时序要求。 t c d 2 9 0 1 的驱动需要4 路脉冲，分别是转移栅时钟o a ，复位时钟r s 。箝 位时钟c p 和传输门时钟s h ( s h i f tg a t e ) ，它们分别连在c c d 器件对应引脚 上，并接上相应的电压就可以实现对c c d 的驱动。驱动时序如图2 3 所示。 驯| 广 引! 厂 厂 厂 厂 蚺厂 厂 厂 厂 1 r 厂 厂 厂 峪厂 厂厂 l 飞 厂 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 厂 厂 几几厂 厂 厂 西 广 r 几| ： r r r r r r r r 厂 r r 图23t c d 2 9 0 1 工作时序图 四路驱动脉冲时序的功能描述如下：当传输门s h 脉冲高电平到来时，正 遇上中i a 电极形成浅势阱，同时s h 的高电平使中i a 电极卞的浅势阱与m o s 电容存储势阱沟通。于是m o s 电容中的信号电荷包全部转移到巾i a 电极下 的势阱中。当s h 变低时，s h 低电平形成的浅势阱将存储栅下势阱与c bi a 电 极下的势阱隔离开，存储栅势阱进入光积分状态，而转移栅则在转移栅时钟 四川大学硕士学位论文 s h 作用下使转移到中1 a 电极下势阱中的信号电荷逐位转移，并经过输出 电路输出。采样保持电路中1 a 的作用是去掉输出信号中的调幅脉冲成分， 使输出脉冲的幅度直接反映像敏感单元的照度。从波形看出，复位脉冲r s 每 触发一次，中l a 脉冲翻转一次，并转移一个像元的信号电荷，因此中i a 的 脉冲的周期位r s 的两倍。采样保持时钟c p 的周期和r s 的周期相同，但 相位有一定的时间延迟。转移时钟s h 脉冲控制线阵c c d 整行的转移时间间 隔，可作为行同步脉冲，其低电平持续时间为中1 a 的整数倍，倍数由c c d 的像元数1 0 5 5 0 决定。 图24t c d 2 9 0 1 电路图 本模块的电路设计图如图2 4 所示【3 “1 ，t c d 2 9 0 i d 的所需驱动时序是由 芯片l m 9 8 3 3 生成，但由于生成驱动电压值不够，在它们之间添加了一块 7 4 a c 0 4 用于放大驱动时序电压值。c c d 所需直流工作电压1 2 v ，是直接从系 9 四川大学硕士学位论文 统输入电源引入，在输出信号引脚0 s 1 、0 s 2 、0 s 3 上，添加信号放大电路。 2 4 本章小结： 本章从c c d 的发展入手，分析了线阵c c d 的工作原理，介绍了本系统所 采用的t c d 2 9 0 1 线阵c c d 的功能、性能指标，着重分析了c c d 工作所需四路 驱动时序信号，完成了c c d 部分电路设计。 四川大学硕士学位论文 第三章l m 9 8 3 3 l m 9 8 3 3 【l l 是美国国家半导体公司推出的一块专用于u s b 彩色线阵图像采 集的芯片。它功能非常强大，几乎集成目前高性能线阵图像采集系统所需的 全部功能模块，包括c c d 传感器控制、照明控制、模拟前端、像素处理模块、 微型步进电机控制和u s 8 接口。l m 9 8 3 3 支持4 8 b i t 彩色1 6 b i t 黑白两种图 像模式，输出数据格式为4 8 或2 4 b i t 彩色1 6 或8 b i t 黑白。它还支持最高 1 6 3 4 8 像元x3 色图像传感器。l m 9 8 3 3 强大的功能使设计一套高性能线阵图 像采集系统不再是遥不可及的事，本章中，将详细介绍芯片的各个功能模块 及工作原理。 3 1l m 9 8 3 3 特性 l m 9 8 3 3 是专为4 8 b i t 、1 2 0 0 d p i u s b 彩色线阵图像采集系统设计的，功 能非常强大，主要特性如下： 1 6 b i t 模数转换器，最高处理速度高达6 m 像素秒( 2 mr g b 像素秒) 支持多种扫描分辨率，如前端采用1 2 0 0 d p i 的图像传感器，系统将支 持1 2 0 0 、8 0 0 、6 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 0 0 、1 5 0 等7 种分辨率。并且还支持 多种不同分辨率的图像传感器 支持像素增益校准和偏色校准 支持4 或1 6 m b i t 外部d r a m 提供可编程的c c d 驱动时序信号，能通过对寄存器的设置，为不同型 号的c c d 提供驱动时序 支持绝大多数彩色线阵c c d 和接触式图像传感器c i s ( c o n t a c ti m a g e s e n s o r ) 支持热插拔的u b s 接口 支持通过对外部e e p r o m 的读取来定义用户设备的p i d 和v i d 支持用户通过编程对r g b 三分量进行微校准 芯片由4 8 m 晶振提供主时钟 四川大学硕士学位论文 图3 1l m 9 8 3 3 内部结构图 1 2 四川大学硕士学位论文 3 2 模拟信号的处理 在芯片内部，共有三个通道分别接收从c c d 图像传感器输出的r g b 三色模 拟信号，每路信号都将根据芯片内部寄存器所记录的增益值和偏色值进行重 新设置，这些增益值和偏色值都是在芯片色彩校准工作时，根据不同光照、 色彩环境计算出的系数，使图像信息能在模数转换前就接近于真实色彩。 模拟信号处理完成功能如下： 1 完成对c c d 输出的采样 2 信号极性判断，以确定输入源是c c d 还是c i s 3 偏色调整 4 增益调整和平衡 5 模拟数字转换 3 2 1 采样和极性判断 模拟处理的首要任务就是捕获从模拟传感器输出的信息，三个输入通道 可以根据配置的不同而支持绝大多数c c d 和c i s 图像传感器。支持多种彩色和 单色采集模式。另外，根据输入信号的极性不同，采样器还能对信号进行取 反操作以保证信息的准确性。这些都能通过对色彩模式和传感器的配置来进 行设置。一 3 2 2 直流偏色和增益校正 l m 9 8 3 3 为每个模拟色彩通道提供一个直流偏色值，这些值都是通过粗糙 校正获取的，能让模拟信息在模数转换时获得更好的效果。直流增益也在每 条通道中起重要作用，它们也将用于优化图像信息。 3 2 3 像素模式和行模式 l m 9 8 3 3 支持两种操作模式，三通道像素模式和三通道行模式。 三通道像素模式： 在这种模式中，三个数据通道通过一个以a d c 转换速率相同的多路复用 器接至i a d c 上，产生间隔的r g b 数据传送给r a m ，a d c 的工作速率是m c l k 8 ，所 以每个通道的像素速率就是m c l k 2 4 ，每种颜色都有它自己的偏色值和增益 四川大学硕士学位论文 值。如图3 2 所示。 三通道行模式： 在这种模式下，三个通道通过一个以a d c 线转换速率工作的多路复用器 与a d c 连接，产生一行的红色数据，然后是一行的绿色数据，然后是一行的 蓝色数据，并将这些数据都传送给r a m ，这些通道的工作速率都是m c l k 8 。如 图3 3 p ) i 示。 a d co u tl i n e1 ：r g b r g b r g b r g b r g b a d co u tl i n e2 ：r g b r g b r g b r g b r g b a d co u tl i n e3 ：r g b r g b r g b r g b r g b 图3 2 三通道像素模式 a d co u tl i n e1 ：r r r r r r r r r r r r r r r a d co ml i n e2 ：g g g g g g g g g g g g g g a o co u tl i n e3b b e 垢b b b b b b b b b b b b b 图3 3 三通道行模式 3 2 4a d c e 自c c d 传出的模拟信号在芯片内通过一个6 删z1 6 b i t 的管道模数转换器 转换成为数字信号。 四川大学硕士学位论文 3 3 数字信号处理 从c c d 三色通道输出的模拟图像信息，经过简单的偏色和增益处理后， 进行a d 转换，将模拟信息转换成为数字信息，然后对转换得到的数字信息 进行一系列的处理，包括像素偏色校正、行缓种器处理等等，以便于图像信 息向p c 机传输和处理。 3 3 1 像素处理模块 像素处理模块就是将从光学传感器传过来的固定分辨率的图像，因不同 用途的需要分解成为不同分辨率的图像，其分解系数可以是1 、1 5 、2 、3 、 4 、6 、8 或者1 2 。如一个1 2 0 0 光学分辨率的系统，我们可以分解成为1 2 0 0 、 8 0 0 、6 0 0 、4 0 0 、3 0 0 、2 0 0 、1 5 0 和1 0 0 等分辨率。见表3 1 。 表3 1 ：分辨率表 d p id p id p id p i d | v j d e 1 1 2 0 01 8 0 0l $ 0 0( 3 0 0 b y d p id p id p id p i s y s t e m ) s y s t e r n ) s y s t e m ) s y s t e m ) 11 2 0 0 8 0 0 6 0 03 0 0 1 58 0 05 3 34 0 02 0 0 26 0 04 0 03 0 01 5 0 34 0 02 6 72 0 0 1 d 0 43 0 02 0 01 5 07 5 62 0 01 3 31 0 ；0 5 0 81 5 01 0 07 53 7 5 1 21 0 06 75 02 5 水平方向上的分解是通过对相邻像元进行平均得到的，这种方式取得的 图像效果好于采用传统的直接抽样方式，例如，要从分辨率为3 0 0 d p i 的光学 传感器上得到1 0 0 d p i 的分辨率，就是对三个相邻的3 0 0 d p i 像素进行平均。 p i x e | 1 。d p i = p n - 2 + 百p n 一- 1 + p n 像素处理模块所分解出的不同分辨率都是通过用光学传感器的分辨率 除以一个分解系数再取整得到的，具体等式如下表一所示： 这部分的输出的数据将被传到下一个处理单元一像素偏色处理单 1 5 3 3 2 像素偏色校正处理单元 c c d 传感器每个像素的偏色值都存储在外部的d r a m 中，校正过程是通过一 个减法器将像素值与与之相对应的偏色值相减来实现的。其饱和状态值为0 ， 例如，如果偏色值大于从模数转换器输出的数值，其校正结果输出就是0 。 存储在d r a m 中的偏色值一般是通过对一块黑色校正色条以1 6 b i t 的数率扫描 获得的。其偏色校正计算等式如下： p l x e l o u t 。p l x e l l n c o e m c l e n t 3 3 3 行缓冲器 行缓冲器是通过把外部d r a m 看做一个f i f o 实现的，它存储像素数据并通 过异步、不定速率方式把数据传回n p c 机。 l m 9 8 3 3 支持两种规格的d r a m ，2 5 6 k x , 1 6 b i t 和i m x1 6 b i t 。其中2 1 6 k 比特 的空间将用于存放偏色值、增益值和色彩调整值。其余的2 9 6 k l k , 特( 2 5 6 k x 1 6 b i t ) 或1 8 3 2 k 比特( 1 m x l 6 b i t ) 空间将用做行缓冲器。 3 3 4 外部d r a m 接口 l m 9 8 3 3 支持两种规格的外部d r a m ，2 5 6 k x1 6 b i t 和i m x1 6 b i t 2 ，d r a m 用于 做行缓冲，存放增益数据，偏色数据和颜色校正数据。其中4 8 k 字节用于存 放增益数据，4 8 k 字节用于存放偏色数据，颜色校正数据占用1 2 k 字节，剩下 的空间都将用于做图像数据的缓冲器。因为l m 9 8 3 3 没有使用任何扩充数据总 线或分页功能，它能够使用带有这些功能模块的d r a m 。 l m 9 8 3 3 支持两种采集数据格式：8 b i t 和1 6 b i t ，8 b i t 模式多用于一般性 采集，并为应用程序提供8 b i t 的黑自或2 4 b i t 彩色图像信息。1 6 b i t 模式用于 做校准。 a d c 的工作频率一般为m c l k 的i 8 ，传送给d r a m 的数据速率是a d c 的速率 再除以h d p i 系数，而所有的校正数据速率都同d r a m 的数据速率一样。 d r a m 的工作时序如下图3 4 所示，每个要写迸d r a m 的像素都要按图中所 示的所有读和写的操作顺序进行。 6 四川大学硕士学位论文 8b l td a t a m o d e 16b 1d a t a m o d e 图3 4d r a m 工作时序图 3 4 与l m 9 8 3 3 的通信 l m 9 8 3 3 的所有功能设置都能通过编辑芯片内部的寄存器数值来实现，配 置寄存器一般有两个步骤【2 】：第一步，找到要配置的寄存器的地址( o 至u 7 f ) ： 第二步，对地址进行数据读写操作。地址值需要写一次，当写入一个地址后， 所有的读写操作都在这个地址上进行，除非地址再改变。 寄存器0 、1 、2 是只读寄存器，对这些寄存器进行写操作将影响l m 9 8 3 3 内部相关的计数器，所以不允许写操作。寄存器3 的第4 比特也是只读，但寄 存器3 是能够进行写操作的，其他的寄存器都能进行读写操作。 寄存器0 3 至u 0 6 是数据接1 3 ，2 a 至u 2 7 是照明控制，3 8 到3 d 是静态增益和偏 色值，l m 9 8 3 3 的所有写操作都必须在软复位状态下进行。 3 5 u s b 接口 u s b 接1 ：3 支持4 个端口【2 1 2 9 1 ，分别是控制端口、中断端口、块数据输入端 口和块数据输出端口。 3 5 1 控制端口 端口号为0 ，数据包最大为8 字节。 默认控制端口支持标准请求，另外还提供两个用户特殊端口请求来用于 对寄存器进行读写操作，每个请求能对一段寄存器进行读写操作。 w r i t e _ c o n t r o l 请求是在以相同名字调用图像类特殊端口请求后被模式 化。对于这个请求：b m r e q u e s t t y p e = o x 4 1 b r e q u e s t = o x 0 0 。w v a l u e = l7 四川大学硕士学位论文 要写的第一个寄存器地址( o x 0 0 0 0t oo x o o f f ) ，w l n d e x = o x 0 0 0 0 ，w l e n g t h = 要写寄存器的数目( o x 0 0 0 0t oo x o o e o ) 。 r e a d _ c o n t r o l 请求是在以相同名字调用图像类特殊端口请求后被模式 化。对于这个请求：b m r e q u e s t t y p e = o x c l ，b r e q u e s t = o x 0 0 ，w v a l u e = 要读的第一个寄存器地址( o x 0 0 0 0t oo x o o f f ) ，w l n d e x = o x 0 0 0 0 ，a n d w l e n g t h = 要读寄存器的数目( o x 0 0 0 0t oo x o o c o ) 。 l m 9 8 3 3 内部存储器里的关于器件的描述如下： b l e n g t h = o x l