基于CMOS图像传感器和USB接口的成像系统的研究

论文摘要

高性能低成本的视频系统在工业、军事、航空航天领域中需求巨大,近年来CMOS图像传感器CIS（CMOS Image Sensor）技术迅速发展,在集成度,工艺复杂度,功耗,成本和开发周期等方面相比CCD具有明显的优势。因此,通过对基于高性能指标CMOS图像传感器成像系统进行研究和开发,迅速掌握核心技术,积累必要的技术储备和经验,对满足我国将来在相关领域的需求有着积极的推动意义。计算机技术的发展,对外围设备的接口技术也提出了更高的要求。通用串行总线（Universal Serial Bus）具有即插即用、热插拔、传输可靠、速度快、总线供电等诸多优点,使得它在计算机外围接口中占据了越来越明显的优势。目前,各种计算机,尤其是个人电脑及其外围电子设备大量采用标准USB接口,标准USB接口已经成为必须的接口之一。本文研究了CMOS图像传感器的发展历程及现状、工作原理、性能特点,着重分析了CYPRESS公司的IBIS5-A-1300型CMOS图像传感器,并以此芯片为核心完成了成像系统的设计。以MAXⅡ系列CPLD芯片EPM570T144C5为平台,完成了CMOS图像传感器的驱动时序设计,并且利用有限状态机的方法实现了传感器的卷帘快门模式、同步快门单斜率和多斜率光积分模式设计。基于CY7C68013芯片设计USB2.0传输接口,实现图像信号的高速传输。硬件上将图像传感器成像模块和时序控制模块分离设计,PCB采用四层板双面元器件的制板结构,利用低压差稳压器（LDO）对系统供电。使系统具有高集成度、稳定性和灵活性的特点。实验证明,该系统工作稳定,功耗低,采集到的图像效果较好。同时基于Matlab平台设计了直观的灰度图像处理软件。本文最后对系统做了总结,指出不足之处和改进方法。本系统的设计对于其他同类系统具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 引言
• 1.1 CMOS图像传感器及其发展状况
• 1.2 国外CMOS图像传感器的应用状况
• 1.3 国内CMOS图像传感器的应用概况
• 1.4 本文的背景和主要研究内容
• 第二章 CMOS图像传感器IBIS5-A-1300
• 2.1 CMOS图像传感器简介
• 2.1.1 CMOS图像传感器的基本原理
• 2.1.2 CMOS图像传感器的性能指标
• 2.2 CMOS图像传感器IBIS5-A-1300
• 2.2.1 IBIS5-A-1300的主要特点
• 2.2.2 IBIS5-A-1300的特性参数
• 2.2.3 IBIS5-A-1300的结构
• 2.2.3.1 芯片结构
• 2.2.3.2 成像核心的操作和相关信号
• 2.2.4 IBIS5-A-1300的两种快门模式
• 2.2.4.1 卷帘快门
• 2.2.4.2 同步快门
• 2.2.4.3 同步快门多斜率光积分的研究
• 2.2.5 IBIS5-A-1300的内部序列发生器和寄存器
• 第三章 IBIS5-A-1300的时序分析和设计
• 3.1 CPLD芯片的选用
• 3.1.1 可编程器件的分绍
• 3.1.2 MAX Ⅱ系列CPLD介绍
• 3.2 CMOS图像传感器时序的分析和设计
• 3.2.1 系统整体框架
• reset模块的分析和实现'>3.2.2 on_reset模块的分析和实现
• 3.2.3 inject模块的分析和实现
• 3.2.4 multiple模块的分析和实现
• 3.2.4.1 卷布快门的光积分和读出
• 3.2.4.2 同步快门的光积分和读出
• 3.2.5 conver模块的分析和实现
• 3.2.6 顶层设计和分析
• 第四章 USB2.0传输系统设计
• 4.1 USB技术介绍
• 4.1.1 USB的数据传输类型
• 4.1.2 USB2.0总线带宽计算
• 4.2 USB系统开发概述
• 4.2.1 选择芯片
• 4.2.2 开发环境
• 4.3 USB2.0高速传输芯片—EZ-USB FX2
• 4.4 EZ-USB FX2端口的SLAVE FIFO工作模式
• 4.4.1 FIFO数据总线（FD）
• 4.4.2 接口时钟（IFCLK）
• 4.4.3 控制引脚（SLWD、SLWR和FIFOADR[1∶0]）
• 4.5 从属FIFO数据传输的实现
• 4.5.1 从属异步FIFO存取数据的实现
• 4.5.2 从属异步FIFO数据传输速率分析
• 4.5.3 从属同步FIFO存取数据实现
• 4.5.4 从属同步FIFO数据传输速率分析
• 第五章 系统硬件电路设计与实现
• 5.1 系统总体方案介绍
• 5.2 前端成像部分
• 5.3 后端控制部分
• 5.3.1 CPLD
• 5.3.2 CY7C68013
• 5.3.3 电源部分
• 5.3.4 拨码开关
• 5.3.5 JTAG接口
• 第六章 实验过程及结果分析
• 6.1 实验设备
• 6.2 实验过程
• 6.3 实验结果及分析
• 6.4 图像信噪比（SNR）
• 6.5 系统功耗
• 第七章 灰度图像处理
• 7.1 MATLAB简介
• 7.1.1 MATLAB的发展历程和影响
• 7.1.2 MATLAB的特点
• 7.2 图形用户界面（GUI）
• 7.3 回调函数（M文件）
• 7.4 灰度图象处理结果
• 第八章 总结与展望
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢