ET21X110A影像傳感器的原理與應用

    摘要：介紹臺灣義統(tǒng)（Etoms）電子有限公司設計生產(chǎn)的CMOS影像傳感器ET21X110A芯片的特點、結(jié)構、原理以及應用。

    關鍵詞：CMOS影像傳感器 ET21X110A 等效亮點

由臺灣義統(tǒng)電子有限公司設計的ET21X110A是一款內(nèi)含CMOS影響傳感陣列、信號處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片；具有集成度高、價格低、功耗低和體積小的優(yōu)點；可廣泛應用于各種低分辨率圖像信號采集、移動目標偵查和字圖辨認等應用系統(tǒng)中。

圖1

1 ET21X110A影像傳感器的工作模式

ET21X110A影像傳感器有兩種工作模式：行掃描成像輸出模式（ROW Data）和等效亮點輸出模式（XY Coordinate）。改變芯片引腳的連接可以選擇共工作模式。

1．1 行掃描成像模式

傳感器輸出低分辨率圖像信號，最高灰度為64級，1幀圖像掃描時間為3.5～4ms(外接3.58MHz晶振)。傳感器以幀為單位，按從右到左、從上到下的次序不斷輸出每個感光元的灰度信號。通過改變芯片外部有關引腳的連接方式可以選擇：

*圖像像素——32×3232、24×24、20×20、16×16；

    *感光時間——15～255個感光時間單元；

*影像信號輸出方式——并行輸出、串行輸出（RS232標準）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪聲對成像的影響。

1．2 等效亮點輸出模式

傳感器按一定的算法對采集到的1幀圖像信號全部進行計算。計算結(jié)果是得到一組可以表征該幀圖像特征的數(shù)據(jù)（稱為等效亮點）。傳感器輸出該點的數(shù)據(jù)，即等效亮點的坐標（X、Y）和亮度（Z）。通過改變芯片外部有關引腳的連接方式可以選擇：

*圖像像素——32×32、16×16；

*等效亮點信號輸出方式——串行輸出（RS232標準）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪聲對測量的影響。

2 結(jié)構和原理

2.1 結(jié)構

ET21X110A芯片采用32引腳的PLCC封裝，外形如圖1（a）所示。使用芯片時，須將微型光學鏡頭安插在芯片頂部的矩形凹槽中。ET21X110A芯片由CMOS傳感陣列、模擬信號放大與處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、狀態(tài)控制模塊和算法模塊五部分構成，如圖2所示。

CMOS傳感陣列感光后，每個感光單元中的CMOS晶體管會發(fā)生電荷變化，形成一個模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)過放大以后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。芯片內(nèi)置的微控制器按照外接引腳電平的選擇，確定芯片的工作模式、參數(shù)設置、輸出方式、系統(tǒng)復位、圖像信號處理、算法處理以及RS232串行協(xié)議處理等。芯片主要引腳的功能說明如表1所列。

表1 ET21X110A主要引腳的功能說明

2．2 模式選擇與設置

模式選擇與設置如表2、3、4所列。

表2 工作模式和數(shù)據(jù)輸出方式選擇

表3 圖像像素選擇

表4 感光時間選擇

當背景消噪的選擇是：

當BG=0時，要背景消噪；

當BG=1時，不要背景消噪。

圖4

    2．3 行數(shù)據(jù)

ET21X110A以幀為單位輸出影像數(shù)據(jù)，又稱行數(shù)據(jù)。行數(shù)據(jù)表示每個像素的灰度值，數(shù)值范圍為0～63。每一幀圖像由33×32個像素數(shù)據(jù)組成，如圖3所示。在每一幀圖像的行開始處都添加了一個啞元（dummy）像素。啞元像素不是真實的感光元，所以每幀圖像實際有效像數(shù)據(jù)為32×32個。

2．4 影像傳感器工作時序

ET21X110A影像傳感器的工作時序如圖4所示。圖中時序源是時鐘信號SCLK，經(jīng)芯片內(nèi)置電路分頻后產(chǎn)生有確定對應關系的幀指示信號FS和模數(shù)轉(zhuǎn)換指示信號STR。由芯片內(nèi)置電路產(chǎn)生的信號還有模數(shù)轉(zhuǎn)換開始信號ADSTART和模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號ADEND。

當FS為低電平時，影像傳感器處于感光期；當FS為高電平時，感光期結(jié)束，進入采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換期。

當STR由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，采樣開始；當STR由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，采樣結(jié)束，模數(shù)轉(zhuǎn)換開始。整個模數(shù)轉(zhuǎn)換過程需要10個時鐘周期。

當ADSTART變?yōu)楦唠娖胶?0個SCLK周期，會產(chǎn)生一個ADEND信號，表明模數(shù)轉(zhuǎn)換已結(jié)束。這時數(shù)據(jù)通過D2～D7輸出。

    2.5 圖像輸出方式

芯片工作時，同時有并行和串行輸出。選擇并行輸出時，傳感器從引腳D2～D7輸出行數(shù)據(jù)。用戶在接收并行數(shù)據(jù)時需要注意兩個問題：一是要通過幀指示信號FS確認系統(tǒng)不是工作在感光期，以保證數(shù)據(jù)的有效性；二是要通過模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號ADEND，找出行數(shù)據(jù)的起始單元。如果這兩個問題都已解決，那么通過引腳D2～D7連續(xù)接收32×32個數(shù)據(jù)（選擇最大像素時），用這些數(shù)據(jù)就可以構成1幀32×32個像素、具有64級灰度的圖像了。

選擇串行輸出時，傳感器從引腳RS232輸出串行數(shù)據(jù)，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?15.2kbps。串行數(shù)據(jù)的第一、二個信號為幀同步信號。芯片首先發(fā)送FFH和00H，然后再發(fā)送其余的數(shù)據(jù)，用戶可以通過這兩個信號找出行數(shù)據(jù)的起始單元。串行數(shù)據(jù)的構成如圖5所示，其中每個字節(jié)包含兩個像素的灰度數(shù)據(jù)，所以發(fā)送1幀圖像只需要512個數(shù)據(jù)就夠了，按照RS232協(xié)議，每一個串行字節(jié)包含1個起始位，8位數(shù)據(jù)位和2個停止位。串行輸出的數(shù)據(jù)只能構成32×32個像素或16×16個像素，具有16級灰度的圖像。

圖6

    2．6 等效亮點輸出

當芯片工作于等效亮點輸出模式時輸出的是等效亮點的坐標（X、Y）和等效亮度（Z）。當成像目標移動時，等效亮點的坐標也會跟著變化。由于等效亮度與成像目標的距離有一定的對應關系，Z可以用來表征鏡頭到成像目標的距離，所以，這一模式可用于測距和移動偵查。

等效亮點輸出只有串行方式，傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿?9.2kbps，其RS232串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如圖6所示。每一次連續(xù)輸出3個字節(jié)。每個字節(jié)的低5位為數(shù)據(jù)，高3位為標志位。當高3位為（0，0，1）時，表示X；當高3位為（0，0，0）時，表示Y；當高3位為（0，1，0）時，表示Z。

2．7 背景消噪功能

對影像目標進行二次感光，其中有一次是添加紅外光時的感光，將二次感光所得到的圖像信號相減，可以抵消CMOS器件本身的噪聲。無論對成像或是等效亮點模式都可以通過改變引腳選擇使用。當需要二次感光時，芯片輸出引腳LED_EN輸出低電平，可使用該信號去控制點亮紅外LED二極管的驅(qū)動電路，傳感器芯片會自動對二次感光的信號進行處理，達到消除背景噪聲的目的。

圖7

3 應用實例

3.1 字圖閱讀器

字圖閱讀器用于近距離閱讀字符或圖像，通過RS232串行接口可直接將所得到的低分辨率圖像送到計算機中成像和處理。字圖閱讀器的電路原理如圖7所示。電路由兩塊芯片組成：主芯片為ET21X110A，引腳設置如表5所示；另一塊芯片為MAX232A，用于將主芯片的輸出信號轉(zhuǎn)換成標準的RS232電平，以保證串行通信的正常進行。

表5 字圖閱讀器主芯片的引腳設置

注意電路中必須使用3.58MHz的外接晶振，才能保證系統(tǒng)串行通信的波特率為115.2kbps。此外，由于光線過亮時才會引起CMOS感光元飽和，光線過暗又會引起感光不足，所以在閱讀字圖時要滿足適當?shù)墓庹諚l件。

當芯片電源接通以后，在PC機端就可以接收到芯片傳送過來的圖像數(shù)據(jù)。使用VB編程時，一種較簡單的方法就是用VB中的MSCOMM控件。在設計程序時要注意，控件的屬性設置一定要與串行通信傳輸速率、數(shù)據(jù)位、停止位的格式相匹配。由于每一幀圖像數(shù)據(jù)傳輸前，芯片都會先發(fā)送兩個字節(jié)的幀同步信號FFH和00H，因此可以用這一特點來檢測1幀圖像的起始點。

    3．2 視覺跟蹤演示

視覺跟蹤用于目標跟蹤演示。當目標物體移動時，在PC機屏幕上會有相應的反映。為形象生動起見，用一對模擬的眼球表示這種相應關系。演示時鏡頭對準人的手掌，當手掌移動時，眼球中的黑點會跟蹤移動，就像人眼跟蹤移動物體一樣。

視覺跟蹤演示的電路原理圖與字圖閱讀器的電原理圖大致相似，只有部分引腳設置不同，如表6所列。

表6 視覺跟蹤演示主芯片的引腳設置

在PC機端設計程序時，同樣可以用VB中的MSCOMM控件來接收數(shù)據(jù)。由于芯片在等效亮點模式下工作，要注意控件的屬性設置與字圖閱讀器中的有所區(qū)別，主要是傳輸?shù)牟ㄌ芈什煌?。另外，?shù)據(jù)格式也不一樣。視覺跟蹤演示只需要用到X坐標和Y坐標即可。

當人的手掌在鏡頭前移動時，眼球中的黑點會隨著人手的移動而相應地移動。移動情況如圖8所示。

4 結(jié)論

ET21X110A是一款低解析度的CMOS影像傳感器芯片，具有集成度高、價格低、功耗低和體積小的優(yōu)點。芯片有行掃描成像和等效亮點輸出兩種工作模式；有并行和RS232串行兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，用戶可根據(jù)應用情況作出選擇。此外，芯片與通用微控制器或PC機的接口容易，程序設計簡單，在單片機和嵌入式系統(tǒng)應用領域中有廣泛的應用。

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