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(shí)現(xiàn)的高速圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)以及關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。
關(guān)鍵詞： 高速A/D  CIS  TLC5510  DSP

　　近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)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(duì)圖像采集系統(tǒng)的要求越來(lái)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(shí)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(hào)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(jì)實(shí)用的解決方案。
1  器件簡(jiǎn)介
1.1 CIS簡(jiǎn)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(jī)－電”一體化轉(zhuǎn)變?yōu)?ldquo;機(jī)電”一體化，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、速度快、安裝調(diào)試簡(jiǎn)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(shí)間短以及無(wú)需預(yù)熱等特點(diǎn)，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(shí)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(shí)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(duì)A4的文件進(jìn)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(gè)芯片組成4個(gè)級(jí)聯(lián)的子模塊，每個(gè)連續(xù)的級(jí)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(hào)先通過板上分別對(duì)應(yīng)獨(dú)立視頻模塊的緩沖放大器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后加裝在4路視頻線上獨(dú)立輸出，即：VOUT1、VOUT2、VOUT3、 VOUT4。VOUT1、VOUT2、VOUT3子模塊分別有7個(gè)傳感器芯片，VOUT4有6個(gè)傳感器芯片。由于每個(gè)傳感器芯片有64個(gè)象素點(diǎn)，故一共有1 728個(gè)象素點(diǎn)。模塊框圖如圖2所示。

1.2 TLC5510簡(jiǎn)介
　　TLC5510是美國(guó)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(shí)，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(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)。無(wú)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(shí)現(xiàn)2V的滿量程轉(zhuǎn)換范圍。
　　TLC5510是具有2個(gè)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(gè)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(shí)鐘信號(hào)通過TLC5510內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生器可產(chǎn)生3路信號(hào)以驅(qū)動(dòng)3組采樣比較器。同時(shí)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(hào)在時(shí)鐘信號(hào)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(hào)通過高4位和低4位組合，滯后模擬輸入信號(hào)2.5個(gè)時(shí)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(dú)立，數(shù)字地DGND與模擬地AGND分離，以避免數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)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(hào)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(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，即得到圖像數(shù)據(jù)。選用雙路、寬帶、高輸出電流運(yùn)算放大器OPA2677進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，以將模擬信號(hào)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(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理等特點(diǎn)，采用TI公司專門設(shè)計(jì)的定點(diǎn)TMS320C54X系列的數(shù)字信號(hào)處理器中的VC5402以實(shí)現(xiàn)低功耗、高性能完成圖像的主要處理工作，運(yùn)算速度可達(dá)100MIPS。系統(tǒng)外擴(kuò)2片高速、低功耗、同步靜態(tài)存儲(chǔ)器IS61LPS51218，構(gòu)成512K×36位的外部存儲(chǔ)空間。
3  系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)
　　矽感的CIS傳感器SV255A4H-XX提供4路信號(hào)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(hào)調(diào)理電路進(jìn)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(hào)分別經(jīng)過4片TLC5510完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。TMS320VC5402有16位數(shù)據(jù)線，對(duì)于4片8位輸出的TLC5510可以采用2片級(jí)聯(lián)的方式實(shí)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(hào)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(shí)，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(shí)鐘信號(hào)BCLKR1為TLC5510提供時(shí)鐘信號(hào)。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(jī)進(jìn)行通信，信息通過片上內(nèi)存與主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
4  結(jié)束語(yǔ)
　　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(diǎn)。組成系統(tǒng)后體積小，而且安裝簡(jiǎn)單，解決了圖像光學(xué)信號(hào)的均勻性和部件體積大的問題，便于實(shí)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(jiǎn)單實(shí)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(jià)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(hào)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(lái)越多的圖像處理和應(yīng)用提供了一套廉價(jià)的圖像采集方案。
參考文獻(xiàn)
1   楊永才，何國(guó)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(jì).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