ET21X110A影像传感器的原理与应用

    摘要：介绍台湾义统（Etoms）电子有限公司设计生产的CMOS影像传感器ET21X110A芯片的特点、结构、原理以及应用。

    关键词：CMOS影像传感器 ET21X110A 等效亮点

由台湾义统电子有限公司设计的ET21X110A是一款内含CMOS影响传感阵列、信号处理电路和8位微控制器的集成传感芯片；具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点；可广泛应用于各种低分辨率图像信号采集、移动目标侦查和字图辨认等应用系统中。

图1

1 ET21X110A影像传感器的工作模式

ET21X110A影像传感器有两种工作模式：行扫描成像输出模式（ROW Data）和等效亮点输出模式（XY Coordinate）。改变芯片引脚的连接可以选择共工作模式。

1．1 行扫描成像模式

传感器输出低分辨率图像信号，最高灰度为64级，1帧图像扫描时间为3.5～4ms(外接3.58MHz晶振)。传感器以帧为单位，按从右到左、从上到下的次序不断输出每个感光元的灰度信号。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择：

*图像像素——32×3232、24×24、20×20、16×16；

    *感光时间——15～255个感光时间单元；

*影像信号输出方式——并行输出、串行输出（RS232标准）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪声对成像的影响。

1．2 等效亮点输出模式

传感器按一定的算法对采集到的1帧图像信号全部进行计算。计算结果是得到一组可以表征该帧图像特征的数据（称为等效亮点）。传感器输出该点的数据，即等效亮点的坐标（X、Y）和亮度（Z）。通过改变芯片外部有关引脚的连接方式可以选择：

*图像像素——32×32、16×16；

*等效亮点信号输出方式——串行输出（RS232标准）；

*背景消噪——可以抵消CMOS器件本身的噪声对测量的影响。

2 结构和原理

2.1 结构

ET21X110A芯片采用32引脚的PLCC封装，外形如图1（a）所示。使用芯片时，须将微型光学镜头安插在芯片顶部的矩形凹槽中。ET21X110A芯片由CMOS传感阵列、模拟信号放大与处理模块、A/D转换模块、状态控制模块和算法模块五部分构成，如图2所示。

CMOS传感阵列感光后，每个感光单元中的CMOS晶体管会发生电荷变化，形成一个模拟电压。该模拟电压经过放大以后，由A/D转换模块转换成数字信号。芯片内置的微控制器按照外接引脚电平的选择，确定芯片的工作模式、参数设置、输出方式、系统复位、图像信号处理、算法处理以及RS232串行协议处理等。芯片主要引脚的功能说明如表1所列。

表1 ET21X110A主要引脚的功能说明

2．2 模式选择与设置

模式选择与设置如表2、3、4所列。

表2 工作模式和数据输出方式选择

表3 图像像素选择

表4 感光时间选择

当背景消噪的选择是：

当BG=0时，要背景消噪；

当BG=1时，不要背景消噪。

图4

    2．3 行数据

ET21X110A以帧为单位输出影像数据，又称行数据。行数据表示每个像素的灰度值，数值范围为0～63。每一帧图像由33×32个像素数据组成，如图3所示。在每一帧图像的行开始处都添加了一个哑元（dummy）像素。哑元像素不是真实的感光元，所以每帧图像实际有效像数据为32×32个。

2．4 影像传感器工作时序

ET21X110A影像传感器的工作时序如图4所示。图中时序源是时钟信号SCLK，经芯片内置电路分频后产生有确定对应关系的帧指示信号FS和模数转换指示信号STR。由芯片内置电路产生的信号还有模数转换开始信号ADSTART和模数转换结束信号ADEND。

当FS为低电平时，影像传感器处于感光期；当FS为高电平时，感光期结束，进入采样和模数转换期。

当STR由高电平变为低电平时，采样开始；当STR由低电平变为高电平时，采样结束，模数转换开始。整个模数转换过程需要10个时钟周期。

当ADSTART变为高电平后10个SCLK周期，会产生一个ADEND信号，表明模数转换已结束。这时数据通过D2～D7输出。

    2.5 图像输出方式

芯片工作时，同时有并行和串行输出。选择并行输出时，传感器从引脚D2～D7输出行数据。用户在接收并行数据时需要注意两个问题：一是要通过帧指示信号FS确认系统不是工作在感光期，以保证数据的有效性；二是要通过模数转换结束信号ADEND，找出行数据的起始单元。如果这两个问题都已解决，那么通过引脚D2～D7连续接收32×32个数据（选择最大像素时），用这些数据就可以构成1帧32×32个像素、具有64级灰度的图像了。

选择串行输出时，传感器从引脚RS232输出串行数据，传输的波特率为115.2kbps。串行数据的第一、二个信号为帧同步信号。芯片首先发送FFH和00H，然后再发送其余的数据，用户可以通过这两个信号找出行数据的起始单元。串行数据的构成如图5所示，其中每个字节包含两个像素的灰度数据，所以发送1帧图像只需要512个数据就够了，按照RS232协议，每一个串行字节包含1个起始位，8位数据位和2个停止位。串行输出的数据只能构成32×32个像素或16×16个像素，具有16级灰度的图像。

图6

    2．6 等效亮点输出

当芯片工作于等效亮点输出模式时输出的是等效亮点的坐标（X、Y）和等效亮度（Z）。当成像目标移动时，等效亮点的坐标也会跟着变化。由于等效亮度与成像目标的距离有一定的对应关系，Z可以用来表征镜头到成像目标的距离，所以，这一模式可用于测距和移动侦查。

等效亮点输出只有串行方式，传输的波特率为19.2kbps，其RS232串行传输的数据格式如图6所示。每一次连续输出3个字节。每个字节的低5位为数据，高3位为标志位。当高3位为（0，0，1）时，表示X；当高3位为（0，0，0）时，表示Y；当高3位为（0，1，0）时，表示Z。

2．7 背景消噪功能

对影像目标进行二次感光，其中有一次是添加红外光时的感光，将二次感光所得到的图像信号相减，可以抵消CMOS器件本身的噪声。无论对成像或是等效亮点模式都可以通过改变引脚选择使用。当需要二次感光时，芯片输出引脚LED_EN输出低电平，可使用该信号去控制点亮红外LED二极管的驱动电路，传感器芯片会自动对二次感光的信号进行处理，达到消除背景噪声的目的。

图7

3 应用实例

3.1 字图阅读器

字图阅读器用于近距离阅读字符或图像，通过RS232串行接口可直接将所得到的低分辨率图像送到计算机中成像和处理。字图阅读器的电路原理如图7所示。电路由两块芯片组成：主芯片为ET21X110A，引脚设置如表5所示；另一块芯片为MAX232A，用于将主芯片的输出信号转换成标准的RS232电平，以保证串行通信的正常进行。

表5 字图阅读器主芯片的引脚设置

注意电路中必须使用3.58MHz的外接晶振，才能保证系统串行通信的波特率为115.2kbps。此外，由于光线过亮时才会引起CMOS感光元饱和，光线过暗又会引起感光不足，所以在阅读字图时要满足适当的光照条件。

当芯片电源接通以后，在PC机端就可以接收到芯片传送过来的图像数据。使用VB编程时，一种较简单的方法就是用VB中的MSCOMM控件。在设计程序时要注意，控件的属性设置一定要与串行通信传输速率、数据位、停止位的格式相匹配。由于每一帧图像数据传输前，芯片都会先发送两个字节的帧同步信号FFH和00H，因此可以用这一特点来检测1帧图像的起始点。

    3．2 视觉跟踪演示

视觉跟踪用于目标跟踪演示。当目标物体移动时，在PC机屏幕上会有相应的反映。为形象生动起见，用一对模拟的眼球表示这种相应关系。演示时镜头对准人的手掌，当手掌移动时，眼球中的黑点会跟踪移动，就像人眼跟踪移动物体一样。

视觉跟踪演示的电路原理图与字图阅读器的电原理图大致相似，只有部分引脚设置不同，如表6所列。

表6 视觉跟踪演示主芯片的引脚设置

在PC机端设计程序时，同样可以用VB中的MSCOMM控件来接收数据。由于芯片在等效亮点模式下工作，要注意控件的属性设置与字图阅读器中的有所区别，主要是传输的波特率不同。另外，数据格式也不一样。视觉跟踪演示只需要用到X坐标和Y坐标即可。

当人的手掌在镜头前移动时，眼球中的黑点会随着人手的移动而相应地移动。移动情况如图8所示。

4 结论

ET21X110A是一款低解析度的CMOS影像传感器芯片，具有集成度高、价格低、功耗低和体积小的优点。芯片有行扫描成像和等效亮点输出两种工作模式；有并行和RS232串行两种数据传输方式，用户可根据应用情况作出选择。此外，芯片与通用微控制器或PC机的接口容易，程序设计简单，在单片机和嵌入式系统应用领域中有广泛的应用。

注：本文为期刊缩略版文章，全文请见本刊网站www.dpj.com.cn。