基于CPLD的CIS圖像傳感器驅動(dòng)電路設計

引言
接觸式圖像傳感器（Contact image sensor，簡(jiǎn)稱(chēng) 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，不需要另外的光學(xué)附件，沒(méi)有調整光路和景深等問(wèn)題，具有結構簡(jiǎn)單、體積小、應用方便等優(yōu)點(diǎn)。在一些應用場(chǎng)合 CIS傳感器比 CCD或 COMS等傳感器有無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)。在傳真機、掃描儀、紙幣清分兌零等領(lǐng)域應用非常廣泛。
在本文中采用復雜可編程邏輯器件（ CPLD）設計一個(gè)新型的 CIS傳感器控制器，實(shí)現了接觸式圖像傳感器的控制和圖像數據的采集。

2 硬件設計
2.1系統總體方案
根據 CIS傳感器的工作原理，其輸出信號是串行輸出的電壓信號。因此，本文中的圖像處理系統包括微處理器、CPLD模塊、CIS傳感器接口、信號差分放大電路、圖像信號的 A/D轉換、雙緩沖存儲器接口等部分，從而實(shí)現圖像的采集與處理。系統框圖如圖 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，則非常消耗微處理器的時(shí)間和資源。因此，本驅動(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(yè)使能信號（ P_EN）和線(xiàn)使 能信號（L_EN）兩個(gè)信號線(xiàn)。CPLD就能夠自動(dòng)完成 CIS控制時(shí)序的產(chǎn)生、A/D轉換器控制時(shí)序的產(chǎn)生、數據的暫存和乒乓存儲的總線(xiàn)切換等功能。這種采用 CPLD獨立完成圖像采集和數據存儲，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計
在圖 1所示的圖像處理系統中， 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)現與微處理器 MPU的外圍接口。圖 1中，外圍接口總線(xiàn)分為圖像采集的控制線(xiàn)和緩沖存儲器的讀寫(xiě)總線(xiàn)兩類(lèi)。圖像采集的控制線(xiàn)包括頁(yè)使能信號和線(xiàn)使能信號兩個(gè)信號。緩沖存儲器的讀寫(xiě)總線(xiàn)包括 8位數據線(xiàn) D[0..7]、17位地址線(xiàn) A[0..16]、讀信號線(xiàn) RD、寫(xiě)信號線(xiàn) WR和選通信號線(xiàn) CS。MPU通過(guò) CPLD實(shí)現對 IS61C1024型緩沖存儲器的讀寫(xiě)。
2.3 CIS圖像傳感器的接口電路設計本文以FW2R216型CIS傳感器為例，采用 EPM7128QC160型CPLD實(shí)現圖像采集的控制。
(1)CIS圖像信號的放大
CIS輸出的圖像信號幅值比較小，通常只有幾百毫伏，而且是疊加在一個(gè)暗電流的直流信號上。因此要對信號進(jìn)行放大和零點(diǎn)校正。采用運算放大器 LM7131構成差分放大電路實(shí)現信號的調整，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圖像信號的暗電流分量，由基準穩壓電源 LM285提供 1.25V
的基準電壓。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。