基于CMOS 像传感器的视频采集系统设计

引言

CCD和CMOS图像传感器作为固体图像传感器领域的竞争对手，两者在性能表现上各有优劣。

相较于CCD图像传感器， CMOS图像传感器功耗低，结构简单，集成度高，体积小，成本低，这就使产品的便携性和可靠性得以极大的提高。由于CMOS图像传感器的内部结构，使其具有高抗辐照，抗干扰能力强，因此在图像传感，天文观测、小卫星、星敏感器等应用领域表现出极大的应用潜力[1]。另外基于CMOS图像传感器的加工工艺，可以较容易的制造出大面阵的CMOS体传感器器件，更加扩展了CMOS图像传感器的应用范围。

基于CMOS图像传感器的视频采集系统充分的利用了CMOS图像传感器的优点，采用USB总线供电，即插即用，电路简单，功耗低，成品体积小，成像清晰，稳定，很好的满足了CMOS图像采集系统的图像采集要求。

一．CMOS图像传感器的内部结构 

目前CMOS图像传感器主要分为无源象素传感器（PPS）和有源象素传感器（APS）[2]。PPS结构简单，量子效率高，但是缺点是噪声大，并且不利于向大型阵列发展；APS在象素中加入了至少一个晶体管来实现对信号的放大和缓冲，改善了PPS的噪声问题，但恶化了阈值和增益的一致性，也减小了填充系数。

CMOS图像传感器像元结构主要有光敏二极管型无源像素结构、光敏二极管型有源像素结构(见图1)和光栅型有源像素结构，其它特殊结构还有对数传输型、钉扎光敏二极管型、浮栅放大器型等。

图1  光敏二极管型有源像素结构图

一个典型的CMOS图像传感器通常包含：一个图像传感器核心，相应的时序逻辑和控制电路、AD转换器、存储器、定时脉冲发生器和译码器等 [3] 。

定时控制电路用来设置传感器的工作模式，产生工作时序，控制数据的输出等。像素采集到的信号在芯片内部就经过了放大、AD转换、存储等处理，最后可输出需要的数字信号，也可以输出模拟信号，这给用户在设计时提供了较大的灵活性[4]。

二．CMOS图象视频采集系统工作原理。

本视频采集系统整体上按照功能可以分为三个部分：CMOS成像部分、CPLD时序控制部分、USB传输部分。

整个图像采集系统的工作原理如下：通过CPLD发送正确时序信号给CMOS图像传感器，驱动其正常工作，采取合适的快门方式，并将采集到的图像数据进行打包处理，输出给USB传输芯片， USB传输芯片再将图像数据传入主机，并通过上层应用程序得到采集到的图像。

三．系统采用的主要芯片。

3.1 CMOS图像传感器芯片IBIS5-A-1300。

本系统CMOS图像采集芯片选用了Fillfactory公司的IBIS5-A-1300 COMS图像传感器芯片，分辨率为1280×1024，全帧采集速率最高可达27fps，动态范围最大达到100db，6．7 m×6．7 m高填充系数像元，填充系数可达66％,支持卷帘快门和同步快门两种快门方式。内部集成可调整增益和偏置的输出放大器，以及40Msamples/s高速A/D转换模块，A/D量化等级为10bit，可直接输出模拟信号或数字信号，内部有大量的寄存器和控制器，可以对传感器的工作状态进行实时调整。芯片支持开窗技术亚采样技术，根据实际需要实时提高帧速率[5]。

作者：李巍　邱跃洪　董佳   来源：微计算机信息