基于CPLD的CIS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

引言
接觸式圖像傳感器（Contact image sensor，簡稱 CIS）是由一排與掃描原稿寬度相同的光電傳感陣列、 LED光源陣列和柱狀透鏡陣列等部件組成一種新興圖像傳感器。這些部件全部集成在一個(gè)條狀方形盒內(nèi)，不需要另外的光學(xué)附件，沒有調(diào)整光路和景深等問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。在一些應(yīng)用場合 CIS傳感器比 CCD或 COMS等傳感器有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在傳真機(jī)、掃描儀、紙幣清分兌零等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。
在本文中采用復(fù)雜可編程邏輯器件（ CPLD）設(shè)計(jì)一個(gè)新型的 CIS傳感器控制器，實(shí)現(xiàn)了接觸式圖像傳感器的控制和圖像數(shù)據(jù)的采集。

2 硬件設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)總體方案
根據(jù) CIS傳感器的工作原理，其輸出信號(hào)是串行輸出的電壓信號(hào)。因此，本文中的圖像處理系統(tǒng)包括微處理器、CPLD模塊、CIS傳感器接口、信號(hào)差分放大電路、圖像信號(hào)的 A/D轉(zhuǎn)換、雙緩沖存儲(chǔ)器接口等部分，從而實(shí)現(xiàn)圖像的采集與處理。系統(tǒng)框圖如圖 1所示，

由于 CIS傳感器的工作速度高，如果直接由微處理器（MPU）產(chǎn)生 CIS傳感器的控制時(shí)序信號(hào)，則非常消耗微處理器的時(shí)間和資源。因此，本驅(qū)動(dòng)電路以 CPLD為控制核心，微處理器不直接控制 CIS傳感器。微處理器只需要控制 CPLD的頁使能信號(hào)（ P_EN）和線使 能信號(hào)（L_EN）兩個(gè)信號(hào)線。CPLD就能夠自動(dòng)完成 CIS控制時(shí)序的產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換器控制時(shí)序的產(chǎn)生、數(shù)據(jù)的暫存和乒乓存儲(chǔ)的總線切換等功能。這種采用 CPLD獨(dú)立完成圖像采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，減少了微處理器對底層器件的控制，提高了微處理器在圖像處理中的效率。
2.2 CIS控制模塊與微處理器的接口設(shè)計(jì)
在圖 1所示的圖像處理系統(tǒng)中， CPLD主要完成兩個(gè)任務(wù)：一是完成底層器件的控制，二是實(shí)現(xiàn)與微處理器 MPU的外圍接口。圖 1中，外圍接口總線分為圖像采集的控制線和緩沖存儲(chǔ)器的讀寫總線兩類。圖像采集的控制線包括頁使能信號(hào)和線使能信號(hào)兩個(gè)信號(hào)。緩沖存儲(chǔ)器的讀寫總線包括 8位數(shù)據(jù)線 D[0..7]、17位地址線 A[0..16]、讀信號(hào)線 RD、寫信號(hào)線 WR和選通信號(hào)線 CS。MPU通過 CPLD實(shí)現(xiàn)對 IS61C1024型緩沖存儲(chǔ)器的讀寫。
2.3 CIS圖像傳感器的接口電路設(shè)計(jì)本文以FW2R216型CIS傳感器為例，采用 EPM7128QC160型CPLD實(shí)現(xiàn)圖像采集的控制。
(1)CIS圖像信號(hào)的放大
CIS輸出的圖像信號(hào)幅值比較小，通常只有幾百毫伏，而且是疊加在一個(gè)暗電流的直流信號(hào)上。因此要對信號(hào)進(jìn)行放大和零點(diǎn)校正。采用運(yùn)算放大器 LM7131構(gòu)成差分放大電路實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)整，如圖 2所示。圖中，電阻 R1=R2，R3=R4，因此可以得到：
Vout=(Vsig-Vref)?R3/R1+V1
V1=Vref?R5/(R5+R6)
其中，Vref是為了去掉 CIS圖像信號(hào)的暗電流分量，由基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源 LM285提供 1.25V
的基準(zhǔn)電壓。V1電壓是為了零點(diǎn)校正，由電阻 R5和 R6對 Vref分壓后經(jīng)電壓跟隨器獲得。