Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Усилитали считыаания ячейки ПЗС Выход Выходное напряжение Цикл 1 Цикл 2 Цикла Цикл 4 Рис. 3.1б. Упрощенная структурная схема н временная диаграмма работы ПЗС Чувствительный узел обычно выполняется на основе полевого транзистора с плавающим затвором. В результате, выходное напряжение чувствительного узла прямо пропорционально заряду на затворе. Для того чтобы измерить заряд, в первую очередь, с затвора должен быть снят заряд предыдущего измерения, что производится с помощью транзистора сброса. Функции, выполняемые любой основанной на ПЗС системой, в общих чертах, таковы: ° Обеспечение тактовой последовательности для управления движением зарядов вдоль сдвигового регистра ПЗС.
Для этого может понадобиться до четырех входов ПЗС, на каждый из которых подается тактовый сигнал с определенной фазой. ° Сброс выхода чувствительного узла перед каждым измерением. ° Считывание напряжения на аналоговом выходе н преобразование его в код с использованием АЦП. 3.3. Проборы с зарядовой связью ° 101 3.3.2.
Управление экспозицией Что произойдет, если очень много света накопится в ячейках ПЗС7 Насыщение: все ячейки станут полностью «белыми». Это нежелательное явление происходит, если источник света, облучаюший объект сканирования, слишком яркий, или если время интегрирования слишком большое, Большинство современных ПЗС обеспечивают управление экспозицией за счет определенного входа, позволяющего «сбросить» заряд в подложку, предотвращая ПЗС от дальнейшего накопления заряда. 3.3.3. ПЗС-линейки ПЗС-линейки (ПЗС с разверткой по одной строке — в линию) имеют всего одну строку светочувствительных элементов.
Они используются для сканирования движущихся объектов. ПЗС сканирует одну строку элементарных ячеек из пикселей размерами примерно 15х30 мкм. Когда цель сдвигается на ширину пикселя, ПЗС сканирует следующую строку. Компоновкой строк пикселей изображение может быть восстановлено в памяти. Происходит преобразование пространственного распределения освещенности на поверхности ПЗС в видеосигнал, но уже распределенного во времени. Обычно ПЗС-линейки применяются для визуализации объектов, движущихся по прямой, например перемещение изделий на конвейере или грузов на транспортере. На Рие.
3.17 показан этот процесс. Для упрощения на рисунке показано только 24 элемента; реальный массив обычно содержит от 512 до 4096 элементов. ПЗС-линейки также могут использоваться там, где объект неподвижен, а линейка движется. Большинство компьютерных сканеров работает именно таким образом. Специальный двигатель перемешает ПЗС-линейку и источник света вдоль листа бумаги. В большинстве случаев для передачи изображения на ПЗС-матрицу используется объектив. Так, для сканирования документов можно бьио бы использовать матрицу длиной 2.54 см (1 дюйм), содержащую 1024 элемента.
Например, если для банка вы конструируете машину проверки чеков, может понадобиться считывать документы до 12.7 см (пяти дюймов) в ширину. Объектив в этом случае должен бы был произвести уменьшение в 5 раз для масштабирования пятидюймового документа до однодюймовой ПЗС-линейки. Это обеспечило бы разрешение 1024 пиксель/5 дюйм или 204.8 пиксель/дюйм.
Если требуется большее разрешение (больше пикселей на дюйм), то следует либо ограничить параметры прибора по ширине считываемых документов, либо выбрать массив с большим числом элементов. ПЗС-линейки обычно производят с одним, двумя или более выводами. Многовыводные ПЗС обеспечивают большую скорость передачи 102 ° Глава 3.
Далтяики Движущийся объект на конвейере Сканирование 1 ! О-й бит зображение на объекте ПЗС-линейка — тэ-й бит Результат сканирования ПЗС-линейки Рис. 3.17. Получение изображения с помощью ПЗС-линейки данных. Если рассмотренная нами ПЗС-линейка с! 024 элементами имела бы два выхода, то значения пикселей с 0 по 5! 1 можно было бы прочесть по первому каналу, а с 512 по 1023 — по второму Или же по одному из каналов передавались значения всех четных пикселей (О, 2, 4, ..., 1022), а по другому — всех нечетных 11, 3, 5, ..., 1023).
Если одноканальная линейка рассчитана на скорость передачи данных с частотой 15 МГц, например, то двухканальная сможет работать с вдвое большей частотой, то есть 30 МГц. Скорость передачи данных АЦП зависит от приложения. В нашем примере визуализации документов, если документы поступают со скоростью 2.54 м/с (100 дюймов в секунду), тогда ПЗС-лннейка должна бу- 3.3. Приборы с зарядовой связью ° 103 дет совершать полное сканирование (1024 пикселей) 204.8 раз на дюйм. Это составляет 204.8х100 или 20480 сканирований в секунду.
Поскольку считывается 1024 пикселя за одно сканирование, итоговая частота равна 20480х1024, то есть 20.971 МГщ АЦП и аналоговые буферы должны быть способны работать на такой частоте. Скорость в 20480 сканирований в секунду обозначает, что время интегрирования равняется 48.8 мкс. ПЗС и система подсветки должны быть выбраны так, чтобы обеспечивать достаточное качество изображения на такой скорости. Естественно, двухвыводная линейка снизит скорость наполовину, но потребует уже два АЦП.
Большинство линейных массивов ПЗС снабжены областью памяти (взгога8ев агеа), в которую передается заряд после того, как накапливание завершается. После того, как заряд передан, дальнейшее накопление заряда под действием света в массиве сбора (всаргпгев аггау) не будет оказывать влияние на записанные сигналы.
Этот механизм защищает данные от изменения во время сдвига к узлу считывания. 3.3.4. Распознавание цвета Ряс. 3.78. Получение цвстиогоизобрвжсния с помощью фильтров ПЗС не различают цвета. Хотя реагируют на разные цвета не одинаково, они производят выходной сигнал, пропорциональный объему падающего света. Цветовая обработка в ПЗС 000 обычно производится трехцветяым фильтрам, включающим красный, зеленый и синий фильтры. На Рие. 3.18 показан линейный массив с цввтнывФнввтрв~ основных цветов: трехцветным слайдом. для получения цветного пзс я — «росного, изображения сначала производится сканирование поочередно с красным фильтром, затем с зеленым, и, наконец, с синим. Естественно, скорость передачи цветного изображения в три раза ниже, чем черно-белого.
К тому же программа должна управлять двигателями так, чтобы точно позиционировать нужный фильтр в нужное время. Альтернатива использованию одного ПЗС с тремя фильтрами — это конструкция из трех ПЗС и трех фильтров (Рис. 3.19). Входной луч света расщепляется на три, каждый из которых проходит через свой цветовой фильтр и попадает на свою матрицу. Проблема здесь в том, что теперь надо управлять тремя ПЗС и АЦП.
К тому же такую систему сложнее настраивать. 104 ° Глава 3. Датчики СЗС т )крзоный) Цветойелителънлл призма Сеет от объекта ПЗС 3 )синий) Рис. 3.19. Получение Цветного изображения с помощью расщепления луча 3.3.5. Трехлинейные ПЗС Для регистрации цветовой информации разработаны новые ПЗС-линейки, так называемые цветные трехлинейные ПЗС (Тп!)пеаг ССОз), см. Рис. 3.20. Трехлинейные ПЗС содержат три ряда элементов на кристалле. Каждый элемент снабжен собственным фильтром.
Такой трехзлементный массив не требует настройки, и в то же время один общий трехлинейный ПЗС из трех рядов дешевле трех отдельных линеек с эквивалентными характеристиками. Типичный трехлинейный ПЗС содержат ИС серии КЕ! фирмы Кода)г и серии П.Х фирмы акопу. Трехлинейный ПЗС решает проблемы подстройки, но обладает тремя выходами, а значит, потребуется три АЦП. Ряды светочувствительных элементов в трехлинейном ПЗС расположены не совсем вплотную друг к другу, а разделены некоторым промежутком.
В ИС К1.1-21 13 (Кода)к) и ПХ724 (Яопу) ряды ПЗС находятся на расстоянии 8 пикселей друг от друга. Как показано на Рис. 3.21, некоторая точка изображения сначала появляется на первой — синей линейке (на рисунке), затем на средней — зеленой, и, наконец, на последней — красной. Однако все три выхода ПЗС активны в течение всего периода сканирования цветного трехлаиейпого ПЗС, так как предполагается, что данные переносятся одновременно, но их нужно сдвинуть относительно друг друга. Возникшая проблема может быть решена программно, взятием данных из буферов линеек со смещением. Данные сканирования под номером 0 буфера синей линейки комбинируются с данными сканирования номера 8 буфера зеленой линейки и с данными сканирования номера !6 буфера красной линейки.
Следует помнить, что данные каждого сканирования занимают большой объем памяти — данные с линейки размером )024 пикселя займут !024 байта памяти. З.З. Проборы с зарядовой связью ° 105 Зеленый Красный Синий Рис. 3.20. Трехлинейный пвстной ПЗС Передняя кромкасканируемого обьекта появляетсясначала напротив ПЗС-линейки с синим светофильтром, через 8 сканирований — напротив ПЗС-линейки с зеленым светофилыром, Напоавление 1 и через 8сканированийпослезтого — напротивПЗС-линейки движения с красным светофильтром Рис. 3.21. Компоновка данных с трех ПЗС-линсск ПЗС-линеики Синий Зеленый Красный Направление заполнения буфера Буферы памяти Синий Зеленый Красный Передний край и- сканируемого облекла 106 ° Глава 3.
Датчики Другой путь решения задачи — запоминать данные в лаияти тила ггЮ (НГО, Нгзг 1п Е)гы Оцг — первым пришел, первым вышел) и отбрасывать значения первых 16 пикселей буфера синей линейки н первых 8 пикселей буфера зеленой линейки, что гарантирует совпадение лействительных данных и снизит нагрузку на программное обеспечение. Такое устройство ужесточает требования к движущимся частям системы. Если скорость системы плохо контролируема, то сканированные величины не будут совпадать, поскольку действительное положение объекта относительно ПЗС будет не там, где предполагается.
Это, естественно, только одна из проблем, возникающих, когда требуется достичь совпадения различных участков сканирования. 3.3.6. Методы цветовой обработки Методы цветовой обработки выходят за рамки темы данной книги. Однако стоит отметить, что в большинстве приложений, где требуется получить некоторое цветное изображение, необходимо производить математическую обработку получаемых от ПЗС данных. В системах визуализации черно-белых изображений, все, что нужно проделать с данными ПЗС вЂ” это сохранить их в памяти.
Данные, содержащие трехцветную же информацию, должны быть еще определенным образом комбннированы„чтобы получить монохромное изображение. Например, трехцветная система, в поле зрения которой попал синий участок изображения, получит большую величину в ВШЕ ПЗС, меньшую в ОКЕЙ ПЗС и близкую к нулю в КЕР ПЗС. Для монохромного (черно-белого) представления полученной информации данные от трех ПЗС-линеек должны быль суммированы с определенными весами. Действительная информация о цвете также должна быть вычислена программно из получаемых от трех ПЗС (К, О и В) данных. В общем, система с цветовой обработкой будет производить в 3 раза больше данных, чем монохромная, и потребует, по крайней мере, в 3 раза большей мощности программы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
