摘 要： 一種使用接觸式title="圖像傳感器">圖像傳感器（CIS）,、高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510和低檔DSP芯片TMS320VC5402實現(xiàn)的高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計方案,，給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵實現(xiàn)技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 高速A/D CIS TLC5510 DSP
近年來，隨著我國經(jīng)濟與技術(shù)的高速發(fā)展和人民生活水平的顯著提高,，現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對圖像采集系統(tǒng)的要求越來越高,，圖像采集系統(tǒng)的應(yīng)用也涉及到生產(chǎn)生活的更多領(lǐng)域,。因此如何在滿足系統(tǒng)要求的情況下降低系統(tǒng)成本，成為擺在人們面前很現(xiàn)實的問題,。
為此,，本文選用矽感的接觸式圖像傳感器（CIS）SV255A4HV-XX、高速A/D轉(zhuǎn)換器TLC5510以及TI公司一款低檔的數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320VC5402構(gòu)建了高速圖像采集系統(tǒng),，為圖像采集提供了一種經(jīng)濟實用的解決方案,。
1 器件簡介
1.1 CIS簡介
接觸式圖像傳感器(Contact Image Sensor，CIS)產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代末,，是光電產(chǎn)品中除CCD外最常見的另一類新型圖像傳感器,，是以CMOS技術(shù)為主的一種光電掃描器件。與傳統(tǒng)的CCD相比,，它不需光學(xué)成像系統(tǒng),，就可將“光－機－電”一體化轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;機電”一體化，且具有結(jié)構(gòu)簡單,、速度快,、安裝調(diào)試簡單等特性。CIS部件具有生產(chǎn)成本低,，功耗,、體積、重量都小，曝光時間短以及無需預(yù)熱等特點,，在高速圖像輸入和便攜式圖像掃描設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用,。
矽感CIS傳感器本身的感光速度和數(shù)據(jù)傳輸速度都很快，可以實現(xiàn)高效率的輸入,。此外,，CIS的集成度高，放大器和外圍設(shè)備都可以集成到傳感器芯片中,，使得設(shè)備體積更加小巧,。本系統(tǒng)采用矽感的CIS傳感器SV255A4H-XX是200dpi的黑/白線性圖像傳感器，4MHz單時鐘工作,，提供4路模擬視頻輸出,，適于以0.1毫秒/行的速度對A4的文件進行高速掃描，主要由LED光源,、棒狀微透鏡,、CMOS圖像傳感器構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示,。
PCB板上的27個芯片組成4個級聯(lián)的子模塊,，每個連續(xù)的級聯(lián)子模塊都分別與一條視頻線相連，相應(yīng)地提供4路視頻輸出,。4路視頻信號先通過板上分別對應(yīng)獨立視頻模塊的緩沖放大器轉(zhuǎn)換為電信號,，然后加裝在4路視頻線上獨立輸出，即：VOUT1,、VOUT2,、VOUT3、 VOUT4,。VOUT1,、VOUT2、VOUT3子模塊分別有7個傳感器芯片,，VOUT4有6個傳感器芯片,。由于每個傳感器芯片有64個象素點，故一共有1 728個象素點,。模塊框圖如圖2所示,。
1.2 TLC5510簡介
TLC5510是美國德州儀器（TI）公司生產(chǎn)的CMOS、8位高阻抗并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器件,。它依靠＋5V單電源工作,，能提供最小20MSPS的采樣速率。與閃速轉(zhuǎn)換器相比,，TLC5510采用了半閃存結(jié)構(gòu)及CMOS工藝,，因而大大減少了器件中比較器的數(shù)目,。在縮小芯片尺寸的同時，可以保持高速轉(zhuǎn)換及較低的功耗(在推薦的工作條件下,，TLC5510的功耗僅為130mW),。由于其包含內(nèi)部采樣和保持電路，從而大大地簡化了外圍電路的設(shè)計,。無需外部基準(zhǔn)電壓源和精密電阻,，僅使用內(nèi)部基準(zhǔn)電阻和VDDA構(gòu)成基準(zhǔn)電壓分壓器即可實現(xiàn)2V的滿量程轉(zhuǎn)換范圍。
TLC5510是具有2個低比較器塊的半閃速ADC,，內(nèi)部有2套低4位采樣比較器,、編碼器和1個低4位數(shù)據(jù)鎖存器以及1套高4位采樣比較器,、編碼器和鎖存器,。外部時鐘信號通過TLC5510內(nèi)部的時鐘發(fā)生器可產(chǎn)生3路信號以驅(qū)動3組采樣比較器。同時電壓分壓器也可以為這3組采樣比較器提供基準(zhǔn)電壓,。輸出數(shù)據(jù)的高4位由高4位編碼器提供,，低4位則由2路低4位編碼器交替提供。
輸入模擬信號在時鐘信號CLK的下降沿采樣輸入高比較器塊和低比較器塊,。每次采樣信號通過高4位和低4位組合,，滯后模擬輸入信號2.5個時鐘周期后輸出到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上。TLC5510的典型外圍電路如圖3所示,。
圖中,，數(shù)字電源VDDD與模擬電源VDDA相互獨立，數(shù)字地DGND與模擬地AGND分離,，以避免數(shù)字信號與模擬信號的相互影響,。VDDD至DGND和VDDA至AGND分別用0.1μF電容以及FB1、FB2,、FB3,、FB7（鐵氧體磁環(huán)）去耦和消除電源紋波。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
本系統(tǒng)圖像采集部分由CIS傳感器,，信號調(diào)理電路以及A/D采樣模塊構(gòu)成,。由CIS得到的圖像信號經(jīng)過信號調(diào)理電路進行4倍放大后，傳送到A/D采樣模塊的輸入端,，經(jīng)過A/D將電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,，即得到圖像數(shù)據(jù)。選用雙路,、寬帶,、高輸出電流運算放大器OPA2677進行信號調(diào)理，以將模擬信號子樣放大到接近A/D轉(zhuǎn)換電路的滿度值（2V）,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示,。
考慮到系統(tǒng)圖像處理數(shù)據(jù)量大,，以及實時數(shù)字信號處理等特點，采用TI公司專門設(shè)計的定點TMS320C54X系列的數(shù)字信號處理器中的VC5402以實現(xiàn)低功耗,、高性能完成圖像的主要處理工作,，運算速度可達100MIPS。系統(tǒng)外擴2片高速,、低功耗,、同步靜態(tài)存儲器IS61LPS51218，構(gòu)成512K×36位的外部存儲空間,。
3 系統(tǒng)接口設(shè)計
矽感的CIS傳感器SV255A4H-XX提供4路信號輸出VOUT1,、VOUT2、VOUT3,、VOUT4,。為滿足A/D轉(zhuǎn)換電路2V滿度的輸入要求，需經(jīng)過信號調(diào)理電路進行4倍放大,。這里每片OPA2677提供雙路放大器,，故需要2片OPA2677。而后4路信號分別經(jīng)過4片TLC5510完成模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,。TMS320VC5402有16位數(shù)據(jù)線,，對于4片8位輸出的TLC5510可以采用2片級聯(lián)的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速輸入。分別選用DSP的2位地址線以及I/O設(shè)備選擇信號IS/作為邏輯控制使能TLC5510,。當(dāng)選用的地址線為邏輯高,、IS/為邏輯低時，TMS320VC5402就可以從相應(yīng)的TLC5510讀取采樣數(shù)據(jù),。此外,，通過串口同步時鐘信號BCLKR1為TLC5510提供時鐘信號。系統(tǒng)接口硬件原理圖如圖5所示,。
TMS320VC5402通過并行接口HPI與主機進行通信,，信息通過片上內(nèi)存與主機進行數(shù)據(jù)交換。
4 結(jié)束語
系統(tǒng)中,，CIS傳感器是由CMOS工藝制作的傳感器IC組成陣列,；光路由CIS本體決定，具有體積小,、光路短等特點,。組成系統(tǒng)后體積小，而且安裝簡單,，解決了圖像光學(xué)信號的均勻性和部件體積大的問題,，便于實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。TLC5510作為CIS傳感器的A/D轉(zhuǎn)換芯片,，其接口電路簡單實用,，使用方便,，穩(wěn)定性好。
本文介紹的圖像采集系統(tǒng)是基于低成本的CIS傳感器SV255A4H-XX和一款性價比可觀的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510而提出的,，為低檔數(shù)字信號處理器應(yīng)用于圖像處理提供了一種思路,，為現(xiàn)代生產(chǎn)生活中越來越多的圖像處理和應(yīng)用提供了一套廉價的圖像采集方案。
參考文獻
1 楊永才,，何國興,，馬軍山.光電信息技術(shù).上海：東華大學(xué)出版社，2002
2 鄭紅,，吳冠.TMS320C54x DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2002
3 TLC5510 Datasheet.http：//focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tlc5510.html.2003-06-11
4 http：//www.syscaninc.com/en/products/cispl.htm.2003-12-19