Болл С.Р. Аналоговые интерфейсы микроконтроллеров (2007) (1264220), страница 20
Текст из файла (страница 20)
3.3.7. Чувствительная площадь ПЗС-матрицы ПЗС-матрицы обычно применяются для получения изображения в таких системах, где ни объект, ни датчик не перемешаются друг относительно друга. Как следует из названия, ПЗС-матрица имеет квадратную или прямоугольную форму. ПЗС-матрицы широко используются в видеокамерах и камерах наблюдения, где требуется слежение за стационарными объектами.
ПЗС-матрица также используются и для визуализации движущихся объектов, особенно если движение нелинейное или нерегулярное. 3.3. Приборы с зарядовой связью ° 107 Рассмотренный выше трехлинейный ПЗС представляет собой три ПЗС-линейки, расположенных в форме матрицы. ПЗС-матрияа во много раз больше такого массива. ПЗС-матрицу размерностью 512х512 можно представить как 512 линеек, по 512 элементов каждая.
В отличие от трехлинейных ПЗС, ПЗС-матрица не имеет отдельного выхода для каждого ряда ячеек. Вместо этого, данные синхронно сдвигаются на одну строку за такт, а затем сдвигаются в выходной каскад по заряду одной ячейки за такт. Естественно, такая конфигурация ограничивает скорость, с которой матрица может регистрировать изображения. У некоторых ПЗС-матриц отсутствует выходная область памяти, следовательно, световой поток должен быть перекрыт для предотвращения продолжения накопления в момент считывания данных. Существуют ПЗС-матрицы для визуализации цветных изображений — у них механизм получения информации о цвете и требования к программному обеспечению для обработки цветных изображений такие же, как и рассмозренные ранее для ПЗС-линеек.
3.3.8. Темновой заряд Одну из проблем, связанных с ПЗС, вызывает тот факт, что ячейки собирают заряд даже в темноте. Данный заряд вызывает определенное смешение уровня выходных сигналов. В большей части ПЗС с каждой стороны присутствуют несколько дополнительных неосвещаемых ячеек. Эти ячейки почти ничем не отличаются от остальных ячеек матрицы, только закрыты от попадания света. Выходные данные этих ячеек — это ьнемновой заряд.
В большинстве систем получаемые с этих ячеек величины вычитаются из величин сигналов ячеек, считывающих информацию. Вычитание может быть осуществлено программно или сбором темпового тока в УВХ и аналоговым вычитанием перед аналого-цифровым преобразованием. 3.3.9. Двойная коррелированная выборка Один из путей снижения собственных шумов ПЗС вЂ” это проведение двойнои корреяированной выборки, ДКВ (Согге!агед ПоцЫе Башр)!пя, СРБ). Как показано на Рис. 3.22 для выполнения ДКВ используется два УВХ. В один УВХ записывается сигнал с выхода ПЗС сразу после сброса. В другой УВХ записывается действительная величина заряда.
Разность этих двух сигналов с выхода дифференциального усилителя поступает на АЦП. Естественно, система синхронизации должна обеспечить тактовые сигналы для данных целей в строго определенное время. 108 ° Глава 3. Дагдннки сброса Цим ! Выход КАЦП ифференциалнныи усилится~ УВХ ! делает выборку во время уровня сброса ПЗС УВХ 2 делает выборку при измерении заряда для формирования разностнаго сигнала на входе АЦП Рис.
3.22 Двойная коррелироваииая выборка Другой метод осуществления ДК — связать выход ПЗС со входом АЦП при помощи емкости и применить фиксатор с емкостной связью. Схема фиксации устанавливает входную величину на уровне фиксированного эталонного напряжения в момент активации. Это приводит к накоплению на емкости некоторого постоянного напряжения, называемого напряжением смещения, и равного разнице между эталонным напряжением и входным сигналом (на уровне сброса).
Когда фиксация произведена, сигнал на входе АЦП имеет величину сигнала с выхода ПЗС, но с добавлением напряжения смешения на емкости (до тех пор, пока зарзщ не стечет с нее). Обычно сигнал фиксируется сразу перед чтением каждого пикселя, сохраняя на емкости постоянное напряжение смешения. 3.3.10. Неравномерность Неравномерность — это разброс уровней сигнала, получаемых от различных элементов ПЗС-матрицы во время облучения их светом равной интенсивности. В ПЗС-линейках неравномерность приводит к появлению более светлых или темных полос вдоль реконструированного изображения. Источники неравномерности могут присутствовать как в самом ПЗС, так и в воздействующем освещении. Освещение объекта обычно бывает неравномерным по яркости, да еще могут добавиться различные блики от отражений света.
Чтобы минимизировать эффект неравномерности надо провести нормирование (поппайге) выходного сигнала. Как показано на Рнс. 3.23, процесс нормирования может быть реализован записью соответствующего сигналу ПЗС выходного кода АЦП в программируемое ПЗУ перед передачей кода ПЗУ микропроцессору.
Данный ППЗУ содержит информацию 3.3. Приборы е зарядовой связью ° 109 нормирования для каждого пикселя. Данные пикселя от АЦП содержат старшие биты адреса, а данные о номере строки — младшие биты. Записанные в ППЗУ величины — это коэффициенты, на которые умножаются выходные величины АЦП для снижения неравномерности на выходе. Допустим, например, что величина некоторого пикселя составляет 85% от номинальной, тогда значение полученного сигнала будет умножено на 1/0.85, то есть на 1.176.
Если на выходе АЦП установился код, равный 25, то на выходе ППЗУ будет уже 29 (25и!.176). к мк Номер пикоелл ат тактовой логики Рвс.3.23. Нормирование ПЗС Данные в ППЗУ заносятся при калибровке системы с эталонным образцом. В устройствах визуализации документов данная калибровка могла бы быть произведена с белым листом с известными характеристиками. Естественно, если ПЗС или подсвечиваюшая система заменяется, необходимо произвести новую калибровку. Объем памяти ППЗУ должен соответствовать числу пикселей ПЗС, умноженному на разрешение АЦП. Так, 1024-элементный ПЗС, подключенный ко входу 8-битного АЦП потребует применения ППЗУ объемом 256х1024х8 бит или 262144 байт.
Временные соотношения в цепях синхронизации должны обеспечить одновременное поступление на адресный вход ППЗУ младших битов адреса (число пикселей) и старших битов адреса (данные пикселя после АЦП). ППЗУ на Рис. 3.23 приведено только для иллюстрации принципа. На практике может понадобиться, чтобы калибровочная таблица сохранялась в ОЗУ или флэш-памяти так, чтобы микропроцессор мог при необходимости вносить в таблицу изменения.
Данную методику нормирования можно выполнять и программно, если процессор успеет обрабатывать данные с требуемой скоростью. К тому же, справочная таблица (1оойнр 1аЫе) микропроцессора должна быть той же организации памяти, что и ППЗУ. На каждом шаге дискретизации значение пикселя сдвигается на столько бит, сколько необходимо оставить лля номера пикселя (10 бит для 1024-элементного массива), добавляется к номеру пикселя, а затем резуль- 110 ° Глава 3.
Датчики тат используется как смещение при адресации справочной таблицы нормирования. Естественно, таблица может быть организована таким образом, что номер пикселя будет старшими битами адреса, а значение— младшими битами. з.з.11. питание пзс Многие ИС ПЗС требуют необычных уровней напряжений тактовых сигналов, таких как б.5 В для логической единицы и О. ! В для логического нуля.
Даже входы с уровнями КМОП могут характеризоваться очень жесткими требованиями, заставляющими драйвер работать с уровнями сигналов сравнимыми с величинами напряжения питания. При этом тактовые входы обладают очень высокой собственной емкостью — более 2000 пФ. Из-за таких особенностей, тактовыми входами и входом сброса многих ПЗС невозможно управлять с помощью стандартных логических ИС. Многие производители ПЗС ссылаются на различные схемотехнические решения на основе существующих драйверов. Часто, драйверы для МОП- транзисторов оказываются подходящими, поскольку способны заряжать значительную емкость большим током.
Другой подход — применить несколько логических вентилей, соединенных параллельно, для обеспечения большей нагрузочной способности. з.з.и. Ацп пзс Многие производители выпускают АЦП, специально рассчитанные на работу с ПЗС. Они часто снабжены цепями фиксации для выполнения двойной коррелированной выборки, а некоторые включают также 3 канала для интерфейса с трехлинейными или другими цветовыми матрицами. Типичные представители трехканальных АЦП ПЗС вЂ” это ТМС1103 фирмы Ра!гсй!!д, УБР2000/3000 фирмы Техов 1пзо итепгх, а также МАХ1101 фирмы Мах!т/Па Над 3.4. Датчики магнитного поля 3.4.1. датчики Холла Вероятно, простейший датчик магнитного полн для использования в микропроцессорных системах — это датчик, основанный на эффекте Холла.
Эдвин Холл открыл данный эффект в ! 879 г Он заметил, что если направление магнитного поля перпендикулярно поверхности золотой пластины, по которой протекает ток, между краями пластины возникает разность потен- 3 4. Датчики магнитного полл ° 111 циалов (Рис. 3.24). Возбуждаемое напряжение пропорционально току протекающему по пластине, и магнитному потоку. Датчики, основанные на эффекте Холла, изготавливаемые обычно из кремния, создают напряжение порядка нескольких микровольт на В/Гаусс. Следовательно, для приведения выходного сигнала к нормальному диапазону потребуется усилитель с высоким коэффициентом усиления. Современные датчики Холла содержат датчик и усилитель в одном корпусе. Магнитное поле отсутствует гэффект Холла не наблюдается) Эффект Холла при повелении магнитного паля ор Рис. 3.24.
Эффект Холла Выпускаются аналоговые датчики Холла, формирующие выходное напряжение, пропорциональное магнитному полю, и лиг)травме датчики, изменяющие свое состояние при превышении магнитным полем определенного уровня. Аналоговые датчики удобно использовать в конструкциях, где надо знать, как близко расположен магнит к датчику. Типичным примером может служить регистрация колебательного движения с помощью магнитного ключа на датчике Холла. Цифровые датчики лучше применять, когда следует выполнить логическую функцию ДА/НЕТ. Такие датчики являются двухпозиционными; и используются, например, в охранных системах для контроля закрытия двери. Выход аналогового датчика Холла может быть соединен с компаратором или АЦП, как любой другой источник напряжения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
