基于CPLD的CIS图像传感器驱动电路设计

引言
接触式图像传感器（Contact image sensor，简称 CIS）是由一排与扫描原稿宽度相同的光电传感阵列、 LED光源阵列和柱状透镜阵列等部件组成一种新兴图像传感器。这些部件全部集成在一个条状方形盒内，不需要另外的光学附件，没有调整光路和景深等问题，具有结构简单、体积小、应用方便等优点。在一些应用场合 CIS传感器比 CCD或 COMS等传感器有无法比拟的优点。在传真机、扫描仪、纸币清分兑零等领域应用非常广泛。
在本文中采用复杂可编程逻辑器件（ CPLD）设计一个新型的 CIS传感器控制器，实现了接触式图像传感器的控制和图像数据的采集。

 2 硬件设计
2.1系统总体方案
根据 CIS传感器的工作原理，其输出信号是串行输出的电压信号。因此，本文中的图像处理系统包括微处理器、CPLD模块、CIS传感器接口、信号差分放大电路、图像信号的 A/D转换、双缓冲存储器接口等部分，从而实现图像的采集与处理。系统框图如图 1所示，
 

由于 CIS传感器的工作速度高，如果直接由微处理器（MPU）产生 CIS传感器的控制时序信号，则非常消耗微处理器的时间和资源。因此，本驱动电路以 CPLD为控制核心，微处理器不直接控制 CIS传感器。微处理器只需要控制 CPLD的页使能信号（ P_EN）和线使 能信号（L_EN）两个信号线。CPLD就能够自动完成 CIS控制时序的产生、A/D转换器控制时序的产生、数据的暂存和乒乓存储的总线切换等功能。这种采用 CPLD独立完成图像采集和数据存储，减少了微处理器对底层器件的控制，提高了微处理器在图像处理中的效率。
 2.2 CIS控制模块与微处理器的接口设计
在图 1所示的图像处理系统中， CPLD主要完成两个任务：一是完成底层器件的控制，二是实现与微处理器 MPU的外围接口。图 1中，外围接口总线分为图像采集的控制线和缓冲存储器的读写总线两类。图像采集的控制线包括页使能信号和线使能信号两个信号。缓冲存储器的读写总线包括 8位数据线 D[0..7]、17位地址线 A[0..16]、读信号线 RD、写信号线 WR和选通信号线 CS。MPU通过 CPLD实现对 IS61C1024型缓冲存储器的读写。
2.3 CIS图像传感器的接口电路设计本文以FW2R216型CIS传感器为例，采用 EPM7128QC160型CPLD实现图像采集的控制。
(1)CIS图像信号的放大
CIS输出的图像信号幅值比较小，通常只有几百毫伏，而且是叠加在一个暗电流的直流信号上。因此要对信号进行放大和零点校正。采用运算放大器 LM7131构成差分放大电路实现信号的调整，如图 2所示。图中，电阻 R1=R2，R3=R4，因此可以得到：
Vout=(Vsig-Vref)·R3/R1+V1
V1=Vref·R5/(R5+R6)
其中，Vref是为了去掉 CIS图像信号的暗电流分量，由基准稳压电源 LM285提供 1.25V
的基准电压。V1电压是为了零点校正，由电阻 R5和 R6对 Vref分压后经电压跟随器获得。

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(3)A/D转换器的电路设计
由于灰度图像的灰阶通常为 256级，因此选用 8位的高速并行模数转换器 TLC5540，它的最高工作频率高达 40MHz，依靠 5V单电源工作，而且内部带有基准电路构成分压电路获得参考电压[1]。+5V 
 
 

 TLC5540在其时钟信号的下降沿对输入模拟信号进行保持和采样，在 2.5个时钟周期后将转换的数据输出到内部总线上。当 TLC5540读选通信号 OE有效时，数据输出到外围管
脚上。 TLC5540的接口电路如图 3所示。
TLC5540的参考电压由精密基准电压源 TL431、电阻 R6和 R7构成的电路提供。 TLC5540的 CLK管脚和 OE管脚由 CPLD直接控制，分别为 AD_EN和 AD_CLK。当 CPLD产生的 AD_EN为下降沿时，CPLD使能 TLC5540的 OE脚将数据 AD[0..7]读取到 CPLD的内部寄存器中，实现信号由模拟到数字的转换过程。 3 软件设计
3.1 CPLD的逻辑功能模块设计
CPLD是 CIS控制模块的核心部件。根据 CPLD需要完成的任务，将 CPLD的逻辑功能划分为不同的模块，包括时序控制模块、 A/D数据读取模块、数据暂存地址发生器、乒乓存储的总线切换和 MPU接口模块等。CPLD逻辑功能的模块如图 4所示。

3.2时序控制模块
时序控制模块是 CPLD在外部时钟信号 CLK控制下，根据 MPU提供的 P_EN与 L_EN信号，产生 CIS的控制时序、A/D转换器的控制时序、数据暂存的读写信号。
(1)CIS传感器和 AD转换器的控制时序产生
根据 CIS传感器的控制时序特性， CPLD为 CIS传感器提供时钟信号 CIS_CLK、选通信号 CIS_SI和光源控制信号 CIS_LED等。当微处理器将 P_EN置为高电平时，CPLD处于初始化状态。当 P_EN为低电平后，CPLD处于准备阶段。此时，一旦微处理器给 L_EN管脚上产生一个脉冲信号，CPLD就随后自动产生 CIS_SI信号启动 CIS，同时 CPLD的内部计数器对外部 CLK进行计数。在根据计数值 CPLD产生 AD转换器的控制信号。这一时序电路的硬件描述如下，其中 CNT是一个 0到 647的计数器。

 
if P_EN ='1' then
CNT<=0; AD_EN<='1'; CIS_SI<='0';
elsif (CLK 'event and CLK ='1') then
if L_EN ='1' then CNT<=1;
elsif CNT=647 or CNT=0 then CNT<=0;
else CNT<=CNT+1; end if;
if CNT=2 then CIS_SI <='1';
else CIS_SI <='0';end if;

if CNT>=64 and CNT<=640 then AD_EN<='0';
else AD_EN<='1'; end if; end if;

3.3 A/D数据读取模块
A/D数据读取模块将模数转换器的输出数据暂存在 CPLD内部寄存器中。在 A/D转换器的读使能信号有效，即 AD_EN为 0时， CPLD为 ADC产生时钟 AD_CLK。CPLD在 AD_CLK的下降沿将 ADC的转换结果暂存在寄存器 D1中，其硬件的描述如下。
if AD_CLK'EVENT and AD_CLK ='0' then D1(7 downto 0)<=AD(7 downto 0); end if;
3.4数据暂存的地址发生器
  CIS传感器是按照一个个像素逐次串行输出。因此必须将图像数据按照地址逐次增一的格式存储在存储器 IS61C1024中。其写信号 A1_WR是由 A/D转换器的读使能信号 AD_EN和外部时钟 CLK进行逻辑与得到的，其硬件描述如下。
A1_WR<=AD_EN and CLK;
存储地址的产生是由一个 17位计数器 A1完成，当 P_EN=1时表示图像采集没有开始，地址计数器 A1初始化为０。当 P_EN=0时，在写信号 A1_WR的上升沿地址增 1，为下一个数据的存储提供地址。这一过程的硬件描述如下。 [!--empirenews.page--]
If P_EN ='1' then A1<=(others=>'0'); elsif A1_WR'event and A1_WR ='1' then A1<=A1+1; end if;
 3.5乒乓存储功能的总线切换
为了提高系统的效率，当 CPLD在采集数据时，微处理器同时完成前幅图像数据的处理，因此在系统中采用双缓冲存储区[2]。当 CPLD向 RAM1写数据时，缓冲区 RAM2的总线控制权交给微处理器。当微处理器完成 RAM2中数据的处理且 CPLD完成当前幅图像的采集后，总线进行切换，使 CPLD将下一幅图像的数据写入 RAM2，此时 RAM1的总线控制权切换给微处理器。总线切换由 P_EN的上升沿触发 EXCH信号取反。下面的程序是 EXCH信号在不同情况下，各总线工作状态的硬件描述。双向数据总线的 VHDL硬件描述如下。
D<=R1D when EXCH='0' and RD='0' else
R2D when EXCH='1' and RD='0' else
ZZZZZZZZ";
R1D<=D when EXCH='0' and WR='0' else
D1 when EXCH='1' and A1_WR='0' else
ZZZZZZZZ";
R2D<=D1 when EXCH='0' and A1_WR='0'else
D when EXCH='1' and WR= '0' else
ZZZZZZZZ";
地址总线和控制总线切换过程的硬件描述如下。
if EXCH ='0' then
R1A<=A;R1_WR<=WR;R1_RD<=RD;
R1_CE<=CS;R2A<=A1;R2_WR<=A1_WR;
R2_RD<='1';R2_CE<='0';
else
R1A<= A1;R1_WR<= A1_WR; R1_RD<='1';
R1_CE<='0'; R2A<= A;R2_WR<= WR;

R2_RD<=RD; R2_CE<= CS;
end if;

4 结论图 5给出了在 Quartus II 6.0中采用 EPM7128QC160型 CPLD对上述方案的仿真时序波形图，仿真结果与设计思想完全吻合。此驱动电路已在纸币清分设备中得到较好的应用。
 

本文作者创新点：以 CPLD为核心实现 CIS传感器时序驱动、A/D转换器控制、双缓冲区的乒乓总线切换以及微处理器接口等功能；微处理器不直接控制底层器件，提高了微处理器的效率；采用双缓冲区的乒乓工作方式，图像采集和图像处理实现并行工作，提高了图像处理系统的性能。