CN102769711A - 一种基于fpga的硬件可自定义cis传感信号采集方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于FPGA的硬件可自定义CIS(Contact Image Sensor,CIS)传感信号采集方法,采用FPGA作为信号处理逻辑芯片,产生CIS工作时钟基准时序、同步采集信号,CIS传感器输出信号经高速A/D转换后,送入FPGA进行滤波、图像重构。根据实际CIS传感器接口形式,在线修改硬件配置文件,自定义FPGA硬件I/O,可以使单一电路***具备许多不同电路的功能,满足不同类型CIS传感器接口要求,方便实现不同类型的CIS传感器的即插即用,有利于提高采集模块的兼容性,减少硬件再次开发的成本,在CIS图像扫描领域具有应用价值。
Description
技术领域
本发明适用于图像扫描应用领域,所述的方法利用FPGA产生CIS传感器信号采集所需基准时钟及同步采集信号,基于硬件可自定义设计方法,只需修改硬件配置文件即可以方便实现不同类型的CIS传感器的即插即用。
背景技术
图像信号采集传感器种类繁多,应用的领域十分广阔。常用到的主要有CIS、CCD、COMS等作为扫描影像的传感器,CIS为线性传感器的一种,是用来将平面的图像或文件扫描成电子格式,以便储存、显示、处理或传输的光电元件。产品具有轻、薄的特性,且由于组装容易,可即插即用,可节省生产成本。CIS接触式影像传感器在很多图像传输***中有着广泛的应用。
图像信号采集传感器信号采集与处理一直研究热点,目前,所采用的信息采集、处理芯片主要为单片机,该类单片机能够满足一般图像传感信号采集,但是将会消耗单片机大量的时间和资源,同时只能应用与单一型号的信号传感器采集,不具备兼容性,不能够满足不同型号的信号传感器采集要求。本发明利用了FPGA作为信号处理逻辑芯片,其核心频率可以到400-500MHz,更重要的是,FPGA可以通过软件进行硬件自定义,从而可以产生不同型号的信号传感器采集的工作基准时序,具有强大的兼容、重构性。
发明内容
该发明采用FPGA作为信号处理逻辑芯片,CIS作为传感信号采集器,可以根据不同类型CIS接口要求,通过编写硬件编程语言对FPGA硬件进行配置,自定义硬件I/O,进行采集并实时传输数据。本发明提供一种稳定性、可靠性、实时性、兼容性的CIS图像传感信号采集方法。通过硬件自定义可以产生满足不同型号CIS的信号采集电路,利用高性能FPGA完成采集信号进行滤波及图像重构等运算。
一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法,其具体操作步骤如下:
(1)本发明采用Spartan-3/3L系列FPGA的XC3S400作为信号处理逻辑芯片,其电源电路的设计采用AS2830-3.3、1117-2.5、1117-1.2分别将5V输入电压转化为3.3V、2.5V、1.2V电压供给***。3.3V作为I/O电压VCC0、2.5V作为辅助电压VCCAUX,1.2V电压作为Spartan3的内核电压。
(2)信号处理电路采用差分放大电路,CIS输出信号是与像素一一对应模拟信号,在时钟信号作用下,模拟开关依次打开,将与像素信息一一对应的模拟信号依次输出。
(3)采用3阶巴特沃斯低通滤波器,进行高频噪声抑制,减少噪声参与后续图像重构,保证采集图像信息能够真实显示。
(4)选用8位高速并行模数转换器TLC5510,最高工作频率高达40MHz。采用双电源供电双向收发器74LVC4245进行电平切换,保证FPGA能实时采集到来自A/D转换数据。
(5)选用L298N芯片驱动传动电机,输出电压最高可达50V,直接通过电源来调节输出电压,用FPGA的I/O口提供电机控制信号。
(6)根据CIS传感器接口电路以及基准时钟要求,通过编写程序配置FPGA,在线完成硬件I/O自定义。
一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法,其中信号逻辑处理芯片采用FPGA,能够实现功能复杂,处理速度、可靠性、适应性等较高应用场合。如果直接由微处理器(MPU)产生CIS传感器控制时序信号及相关控制信号,则会消耗微处理器时间和资源。该技术在CIS传感器采集中具有显著优势和特点,能够完成更高速的图像信号采集,满足CIS传感器的即插即用,降低硬件重复开发成本,将在图像采集领域具有实际应用价值。
本发明相对现有技术具有如下优点和有益效果:
(1)选用现场可编程门阵列(FPGA)作为主控制器,产生CIS传感器控制时序信号、采样时钟及相关控制信号,在FPGA内部构建数据存储空间,简化***电路及满足高速采集要求。
(2)不同类型CIS传感器,只需通过软件编程对FPGA硬件重新配置,即可产生符合不同类型CIS工作基准时序,实现CIS传感器即插即用。
(3)FPGA硬件的可自定义能使电路***结构和功能任意变换,从而使单一电路***具备许多不同电路功能,实现多种功能于一体化设计,降低开发成本。
附图说明
图1是本发明***硬件结构图;
图2是本发明所采用芯片XC3S400外接电路图;
图3是本发明所述***配置电路图;
图4是本发明所采用的信号处理电路-差分放大电路图;
图5是本发明所设计的3阶巴特沃斯低通滤波器的幅频特性响
应仿真图;
图6是本发明所述***高速A/D转换电路图;
图7是本发明所述***电平转换模块电路图;
图8是本发明所述***电机驱动模块电路图;
图9是本发明所述***的CIS基准工作时序图;
图10是本发明所述CIS信号采集控制流程图;
图11是本发明所述CIS信号采集方法原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图,对本发明关键技术要点作进一步详细说明,但本发明的实施方式不限于此。
参阅图1:为本发明涉及的一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法***硬件结构图,图像采集***包含:信号处理逻辑芯片FPGA(1)、CIS传感器(2)、信号处理放大电路(3)、高速A/D转换模块(4)、电平转换模块(5)、电机控制模块(6)、三态双向总线驱动器(7)。其中FPGA主控制芯片包含晶振电路(8)、Reset电路(9)、电源电路(10)、JTAG接口电路(11)、配置电路(12)。CIS传感器(2)采用时钟频率为4MHz。高速A/D转换模块(4)采用8位高速并行模数转换器TLC5510,最高工作频率高达40MHz,高速A/D转换模块(4)TLC5510的时钟信号管脚和输出使能信号管脚由FPGA主控器(1)直接控制,分别为AD_EN和AD_CLK。当AD_CLK为下降沿时,FPGA主控器(1)将TLC5510的转换数据读取到FPGA主控器(1)内部寄存器,实现信号由模拟到数字转换过程。电平转换模块(5)采用双电源供电的双向收发器74LVC4245。CIS传感器(2)工作电压为5V,CIS传感器(2)工作时钟信号及行同步信号的高电平电压最小值为3CIS传感器(2)、高速A/D转换模块(4)的驱动能力。
本发明涉及一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法,其工作流程包括:1、***工作流程:扫描件的信息经CIS传感器(2)扫描输出模拟电压值,经高速A/D转换模块(4)进行模数转换,FPGA主控器(1)读取采样值,并控制传动电机拖动扫描件以备下一行扫描采样。2、本发明所采用FPGA主控器(1)总线***工作状态如下:①***状态1:检测控制开始命令管脚电平,如果开始命令管脚是低电平且检测纸张管脚是低电平时,则说明主控器(1)已发送***启动命令且有扫描件***扫描器,可以开始扫描,转向***状态2,否则停留在***状态1。②***状态2:检测CIS行同步信号,在CIS行同步信号由高电平变成低电平时,转向***状态3,否则停留在***状态2。③***状态3:启动A/D采样,对A/D读取的次数进行计数,如果读取完扫描一行数据时,转动电机并转向***状态4,否则停留在***状态3。④***状态4:采集数据送入FPGA的输出控制。当传输完则转向***状态1,否则停留在***状态4。4、CIS传感器(2)的工作时序和MD控制模块(4)其工作流程如下:CIS传感器(2)行同步信号下降沿到来后,在CIS传感器(2)的每个工作时钟下降沿都会输出像素的模拟值,直到一行像素全部输出,假设CIS一行像素有Pmax个。CIS行同步信号等待所有像素全部输出后,还需等待若干个工作时钟周期,开始下一行扫描输出。当***开始采集,在CIS传感器(2)行同步信号由高电平变成低电平时,捕捉AD时钟信号AD_CLK上升沿,在AD_CLK上升沿时将AD采样值读入FPGA主控器(1)内部指定寄存器组,在多个时钟信号后完成一行信号采集,由于TLC5540在其时钟信号下降沿对输入模拟信号进行保持和采样,在若干时钟周期后将转换的数据输出到内部总线上,所以舍弃FPGA主控器(1)内部寄存器数组前面三个无效数据,余下数据则是有效像素数据,连续采集,直到完成扫描件扫描。5、FPGA主控器(1)将采集到的像素数据进行滤波,然后进行信号图像重构,输出图像。
Claims (4)
1.一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法,其特征在于:本发明采用FPGA作为信号处理逻辑芯片,通过设计硬件编程语言重构FPGA硬件接口电路,自定义的I/O,产生符合不同类型CIS工作基准时序,实现CIS传感器的即插即用。
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的硬件可自定义CIS传感信号采集方法,其特征在于:FPGA产生CIS行同步信号和工作时钟基准时序,CIS传感器输出像素的模拟电压值经A/D转换后的送入FPGA进行数据滤波、图像重构。
3.根据权利要求1所述的方法,FPGA硬件接口电路包括电源电路、配置电路、高速A/D转换电路、电平转换电路、三态双向总线驱动器电路;FPGA硬件的可自定义,可以使FPGA的I/O具备许多不同电路的功能,满足不同类型CIS传感器接口要求,FPGA硬件电路具有智能、重构性。
4.根据权利要求1所述的方法,CIS输出信号经3阶巴特沃斯低通滤波器进行高频噪声抑制,减少噪声参与后续的图像重构。
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