基于CIS及LC5510的高速 像采集系统

摘   要： 一种使用接触式title="图像传感器">图像传感器 （CIS）、高速A/D转换芯片TLC5510和低档DSP芯片TMS320VC5402实现的高速图像采集系统的设计方案，给出了系统的体系结构以及关键实现技术。
关键词： 高速A/D  CIS  TLC5510  DSP

　　近年来，随着我国经济与技术的高速发展和人民生活水平的显著提高，现代化生产和科学研究对图像采集系统的要求越来越高，图像采集系统的应用也涉及到生产生活的更多领域。因此如何在满足系统要求的情况下降低系统成本，成为摆在人们面前很现实的问题。
　　为此，本文选用矽感的接触式图像传感器（CIS）SV255A4HV-XX、高速A/D转换器TLC5510以及TI公司一款低档的数字信号处理器（DSP）TMS320VC5402构建了高速图像采集系统，为图像采集提供了一种经济实用的解决方案。
1  器件简介
1.1 CIS简介
　　接触式图像传感器(Contact Image Sensor，CIS)产生于20世纪80年代末，是光电产品中除CCD外最常见的另一类新型图像传感器，是以CMOS技术为主的一种光电扫描器件。与传统的CCD相比，它不需光学成像系统，就可将“光－机－电”一体化转变为“机电”一体化，且具有结构简单、速度快、安装调试简单等特性。CIS部件具有生产成本低，功耗、体积、重量都小，曝光时间短以及无需预热等特点，在高速图像输入和便携式图像扫描设备中得到了广泛应用。
　　矽感CIS传感器本身的感光速度和数据传输速度都很快，可以实现高效率的输入。此外，CIS的集成度高，放大器和外围设备都可以集成到传感器芯片中，使得设备体积更加小巧。本系统采用矽感的CIS传感器SV255A4H-XX是200dpi的黑/白线性图像传感器，4MHz单时钟工作，提供4路模拟视频输出，适于以0.1毫秒/行的速度对A4的文件进行高速扫描，主要由LED光源、棒状微透镜、CMOS图像传感器构成，其结构如图1所示。

　　PCB板上的27个芯片组成4个级联的子模块，每个连续的级联子模块都分别与一条视频线相连，相应地提供4路视频输出。4路视频信号先通过板上分别对应独立视频模块的缓冲放大器转换为电信号，然后加装在4路视频线上独立输出，即：VOUT1、VOUT2、VOUT3、 VOUT4。VOUT1、VOUT2、VOUT3子模块分别有7个传感器芯片，VOUT4有6个传感器芯片。由于每个传感器芯片有64个象素点，故一共有1 728个象素点。模块框图如图2所示。

1.2 TLC5510简介
　　TLC5510是美国德州仪器（TI）公司生产的CMOS、8位高阻抗并行模数转换器件。它依靠＋5V单电源工作，能提供最小20MSPS的采样速率。与闪速转换器相比，TLC5510采用了半闪存结构及CMOS工艺，因而大大减少了器件中比较器的数目。在缩小芯片尺寸的同时，可以保持高速转换及较低的功耗(在推荐的工作条件下，TLC5510的功耗仅为130mW)。由于其包含内部采样和保持电路，从而大大地简化了外围电路的设计。无需外部基准电压源和精密电阻，仅使用内部基准电阻和VDDA构成基准电压分压器即可实现2V的满量程转换范围。
　　TLC5510是具有2个低比较器块的半闪速ADC，内部有2套低4位采样比较器、编码器和1个低4位数据锁存器以及1套高4位采样比较器、编码器和锁存器。外部时钟信号通过TLC5510内部的时钟发生器可产生3路信号以驱动3组采样比较器。同时电压分压器也可以为这3组采样比较器提供基准电压。输出数据的高4位由高4位编码器提供，低4位则由2路低4位编码器交替提供。
　　输入模拟信号在时钟信号CLK的下降沿采样输入高比较器块和低比较器块。每次采样信号通过高4位和低4位组合，滞后模拟输入信号2.5个时钟周期后输出到内部数据总线上。TLC5510的典型外围电路如图3所示。

　　图中，数字电源VDDD与模拟电源VDDA相互独立，数字地DGND与模拟地AGND分离，以避免数字信号与模拟信号的相互影响。VDDD至DGND和VDDA至AGND分别用0.1μF电容以及FB1、FB2、FB3、FB7（铁氧体磁环）去耦和消除电源纹波。
2  系统构成
　　本系统图像采集部分由CIS传感器，信号调理电路以及A/D采样模块构成。由CIS得到的图像信号经过信号调理电路进行4倍放大后，传送到A/D采样模块的输入端，经过A/D将电信号转换为数字信号，即得到图像数据。选用双路、宽带、高输出电流运算放大器OPA2677进行信号调理，以将模拟信号子样放大到接近A/D转换电路的满度值（2V）。系统结构框图如图4所示。

　　考虑到系统图像处理数据量大，以及实时数字信号处理等特点，采用TI公司专门设计的定点TMS320C54X系列的数字信号处理器中的VC5402以实现低功耗、高性能完成图像的主要处理工作，运算速度可达100MIPS。系统外扩2片高速、低功耗、同步静态存储器IS61LPS51218，构成512K×36位的外部存储空间。
3  系统接口设计
　　矽感的CIS传感器SV255A4H-XX提供4路信号输出VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4。为满足A/D转换电路2V满度的输入要求，需经过信号调理电路进行4倍放大。这里每片OPA2677提供双路放大器，故需要2片OPA2677。而后4路信号分别经过4片TLC5510完成模拟信号到数字信号的转换。TMS320VC5402有16位数据线，对于4片8位输出的TLC5510可以采用2片级联的方式实现数据的高速输入。分别选用DSP的2位地址线以及I/O设备选择信号IS/作为逻辑控制使能TLC5510。当选用的地址线为逻辑高、IS/为逻辑低时，TMS320VC5402就可以从相应的TLC5510读取采样数据。此外，通过串口同步时钟信号BCLKR1为TLC5510提供时钟信号。系统接口硬件原理图如图5所示。

　　TMS320VC5402通过并行接口HPI与主机进行通信，信息通过片上内存与主机进行数据交换。
4  结束语
　　系统中，CIS传感器是由CMOS工艺制作的传感器IC组成阵列；光路由CIS本体决定，具有体积小、光路短等特点。组成系统后体积小，而且安装简单，解决了图像光学信号的均匀性和部件体积大的问题，便于实现产品的小型化。TLC5510作为CIS传感器的A/D转换芯片，其接口电路简单实用，使用方便，稳定性好。
本文介绍的图像采集系统是基于低成本的CIS传感器SV255A4H-XX和一款性价比可观的高速A/D转换芯片TLC5510而提出的，为低档数字信号处理器应用于图像处理提供了一种思路，为现代生产生活中越来越多的图像处理和应用提供了一套廉价的图像采集方案。
参考文献
1   杨永才，何国兴，马军山.光电信息技术.上海：东华大学出版社，2002
2   郑红，吴冠.TMS320C54x DSP应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，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