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轉換芯片TLC5510和低檔DSP芯片TMS320VC5402實現的高速圖像采集系統的設計方案，給出了系統的體系結構以及關鍵實現技術。
關鍵詞： 高速A/D CIS TLC5510 DSP
近年來，隨著我國經濟與技術的高速發展和人民生活水平的顯著提高，現代化生產和科學研究對圖像采集系統的要求越來越高，圖像采集系統的應用也涉及到生產生活的更多領域。因此如何在滿足系統要求的情況下降低系統成本，成為擺在人們面前很現實的問題。
為此，本文選用矽感的接觸式圖像傳感器（CIS）SV255A4HV-XX、高速A/D轉換器TLC5510以及TI公司一款低檔的數字信號處理器（DSP）TMS320VC5402構建了高速圖像采集系統，為圖像采集提供了一種經濟實用的解決方案。
1 器件簡介
1.1 CIS簡介
接觸式圖像傳感器(Contact Image Sensor，CIS)產生于20世紀80年代末，是光電產品中除CCD外最常見的另一類新型圖像傳感器，是以CMOS技術為主的一種光電掃描器件。與傳統的CCD相比，它不需光學成像系統，就可將“光－機－電”一體化轉變為“機電”一體化，且具有結構簡單、速度快、安裝調試簡單等特性。CIS部件具有生產成本低，功耗、體積、重量都小，曝光時間短以及無需預熱等特點，在高速圖像輸入和便攜式圖像掃描設備中得到了廣泛應用。
矽感CIS傳感器本身的感光速度和數據傳輸速度都很快，可以實現高效率的輸入。此外，CIS的集成度高，放大器和外圍設備都可以集成到傳感器芯片中，使得設備體積更加小巧。本系統采用矽感的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圖像傳感器構成，其結構如圖1所示。
PCB板上的27個芯片組成4個級聯的子模塊，每個連續的級聯子模塊都分別與一條視頻線相連，相應地提供4路視頻輸出。4路視頻信號先通過板上分別對應獨立視頻模塊的緩沖放大器轉換為電信號，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）公司生產的CMOS、8位高阻抗并行模數轉換器件。它依靠＋5V單電源工作，能提供最小20MSPS的采樣速率。與閃速轉換器相比，TLC5510采用了半閃存結構及CMOS工藝，因而大大減少了器件中比較器的數目。在縮小芯片尺寸的同時，可以保持高速轉換及較低的功耗(在推薦的工作條件下，TLC5510的功耗僅為130mW)。由于其包含內部采樣和保持電路，從而大大地簡化了外圍電路的設計。無需外部基準電壓源和精密電阻，僅使用內部基準電阻和VDDA構成基準電壓分壓器即可實現2V的滿量程轉換范圍。
TLC5510是具有2個低比較器塊的半閃速ADC，內部有2套低4位采樣比較器、編碼器和1個低4位數據鎖存器以及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內部的時鐘發生器可產生3路信號以驅動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電壓。輸出數據的高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部數據總線上。TLC5510的典型外圍電路如圖3所示。
圖中，數字電源VDDD與模擬電源VDDA相互獨立，數字地DGND與模擬地AGND分離，以避免數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）去耦和消除電源紋波。
2 系統構成
本系統圖像采集部分由CIS傳感器，信號調理電路以及A/D采樣模塊構成。由CIS得到的圖像信號經過信號調理電路進行4倍放大后，傳送到A/D采樣模塊的輸入端，經過A/D將電信號轉換為數字信號，即得到圖像數據。選用雙路、寬帶、高輸出電流運算放大器OPA2677進行信號調理，以將模擬信號子樣放大到接近A/D轉換電路的滿度值（2V）。系統結構框圖如圖4所示。
考慮到系統圖像處理數據量大，以及實時數字信號處理等特點，采用TI公司專門設計的定點TMS320C54X系列的數字信號處理器中的VC5402以實現低功耗、高性能完成圖像的主要處理工作，運算速度可達100MIPS。系統外擴2片高速、低功耗、同步靜態存儲器IS61LPS51218，構成512K×36位的外部存儲空間。
3 系統接口設計
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轉換電路2V滿度的輸入要求，需經過信號調理電路進行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路信號分別經過4片TLC5510完成模擬信號到數字信號的轉換。TMS320VC5402有16位數據線，對于4片8位輸出的TLC5510可以采用2片級聯的方式實現數據的高速輸入。分別選用DSP的2位地址線以及I/O設備選擇信號IS/作為邏輯控制使能TLC5510。當選用的地址線為邏輯高、IS/為邏輯低時，TMS320VC5402就可以從相應的TLC5510讀取采樣數據。此外，通過串口同步時鐘信號BCLKR1為TLC5510提供時鐘信號。系統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，信息通過片上內存與主機進行數據交換。
4 結束語
系統中，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。組成系統后體積小，而且安裝簡單，解決了圖像光學信號的均勻性和部件體積大的問題，便于實現產品的小型化。TLC5510作為CIS傳感器的A/D轉換芯片，其接口電路簡單實用，使用方便，穩定性好。
本文介紹的圖像采集系統是基于低成本的CIS傳感器SV255A4H-XX和一款性價比可觀的高速A/D轉換芯片TLC5510而提出的，為低檔數字信號處理器應用于圖像處理提供了一種思路，為現代生產生活中越來越多的圖像處理和應用提供了一套廉價的圖像采集方案。
參考文獻
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