基于CMOS图像传感器的计花器设计

摘要：阐述了新型CMOS图像传感器ME1010的结构模块与工作方式，设计出了以ME1010为核心的计花器系统，给出了系统硬件、软件结构，对硬件和软件进行了计算机仿真分析。仿真结果表明该系统能够满足高支纤维生产过程对计花作业的要求，具有实用价值。
关键词：CMOS图像传感器；ME1010；计花器

0 前言
    织物上的疵点主要是由纤维上的花结引起的，计花器是纺织业中的一种常用设备，主要用于统计(或清除)纺锭上的花结，是确定纤维质量等级的主要依据。目前国产计花器主要有电容式和光电式两种，精度较低，对高支纤维的处理较困难。本文提出利用CMOS图像传感器，进行纤维花结的感知，其精度可达0．02mm，完全可以满足当前高支纤维的生产需要。

1 ME1010简介
    ME1010是一个使用方便的综合图像传感器，由Microne公司采用专利结构开发，旨在使其更便于与计算机产品构成一个整体。不同于传统的CCD图像传感器或一些新的CMOS图像传感器产品，ME1010图像传感器可提供极低速X-Y地址图像输出，以便于与计算机或DSP相连接。它提供了352×290个像素(其中352×288个有效像素)、一个片上放大器和配套的ADC电路。
    此外，一个宽范围的连续全屏幕电子快门功能(从1μs到255ms)可避免对很多光学设备如光圈和机械快门等的需求。这对那些紧凑而经济的产品如定向视听相机组件、电子监视、车载电视系统、消费品、高技术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像素阵列(有效元：352×288)；基于像素元的片上帧buffer；低速可按X-Y地址输出像素信号；片上视频放大器；片上8位A／D转换器；低功耗(小于200mW)；全屏电子快门宽范围连续可调；内置黑状态参考；LCC- 48
脚封装；
    功能：
    像素阵列：由352×290的光敏区组成，包括一系列的参考行和可用的352×288像素阵列。
    控制信号“XYSEL”的状态决定九位地址(ADO to AD8)的译码与X或Y地址对应。感光过程的初始化由"VRST"的电平对感光区内的各感光元素进行预置。像素阵列的初始化可以全屏一次进行，也可以通过"PREC"、X地址译码输出以及“G”信号的组合逻辑状态按行进行。产生的感光信号可暂存在帧buffer里，通过取样控制信号(包括"Samp"信号、X译码输出、"SampG"信号的逻辑综合)，由X-Y地址可将此buffer内的指定内容读出。
    在读数据期间，由X地址译码输出和"Sel"信号共同决定哪一行像素为当前行，同时在"Read"信号的上升沿，对当前像素区的感光单元采样并送至一 buffer行里。此buffer行通过多路传输技术输出至输出行"Vout"。多路器由Y信号的译码输出控制。Y译码的最近一次输出用来读
出动态暗参考。因此，在正常的图像读出方式下，最重要的Y译码输出是O×15F。
    ME1010对由外部逻辑电路(微控制器或ASIC)指定的X-Y地址对应的感光区(当前区)的感光信号保存至模拟信号帧Buffer。由"Vout"脚输出的原始像素信号是负极性信号。换言之，黑色信号的电平比白色信号的电平高。
    黑色参考单元行：
    感光阵列的第一行(底部)是用来对动态黑色(参考背景)进行感光。这一动态黑色参考是在取样过程开始前，第一行的光敏元感光产生的。当选择此行即Y译码输出为15F(351)时，参考信号即输出至"Vref"脚做为后续的源。这样就为关闭信号处理器和片上模数转换器提供了黑色参考。
    片上8位模数转换器(8-bADC)；
    片上8位模数转换器可将模拟图像信号转换成数字图像信号。快速ADC的功能时序图如下图1所示。在"ADCclock"信号的下降沿对模拟图像信号取样，在"ADC Clock"低电平期间完成A／D转换，在"ADCClock"的上升沿输出数字信号。由此引起半个时钟周期的转换延迟(低电平宽度)。转换范围由外置参考电压决定。以电源方式输入的补偿信号可将偏离信号减少到零。

2 硬件系统
    本系统硬件主要由传感器及外围电路、按键电路、基准电压电路、MCU处理器、显示电路、与上位机通讯接口电路、电源电路等部分组成，如图2所示。

    传感器采用ME1010型CMOS图像传感器，其外围电路主要有地址译码与驱动电路、数据总线、采样时钟及控制电路、A／D控制电路等部分组成。
    按键电路较简单，主要有计花、计长、暂停键等，实现计花、计长、暂停检修等功能。
    基准电压电路为图像传感器提供A／D转换参考电平。具体电路如图3所示。

    显示电路完成计花、计长结果的显示，主要由显示模块及驱动电路组成，显示模块采用数码管实现，也可采用液晶显示模块，前者结构简单、成本低廉。
    通讯接口电路实现各计花器终端与上位机的数据传送。在系统研制阶段，还可通过通讯接口电路，获得传感器数据，以设定合理的整定值。
    MCU选用8位单片机即可。

3 软件系统
    软件系统主要由主程序、按键扫描程序、显示程序等构成。
    主程序主要负责对传感器信号进行处理，调用按健子程序和显示子程序。图4软件流程图

4 仿真
    采用汇编语言完成程序编写，在单片机IDE平台UV2上，对各程序进行仿真，仿真结果表明，各程序模块功能正确。利用模拟信号进行硬件仿真，仿真结果表明，系统完全能够实现预定功能：根据花结整定参数，对输入信号进行处理，统计出当前线锭上花结的数目。