基于CPLD的CIS图像传感器驱动电路设计

引言
接触式图像传感器（Contact image sensor，简称 CIS）是由一排与扫描原稿宽度相同的光电传感阵列、 LED光源阵列和柱状透镜阵列等部件组成一种新兴图像传感器。这些部件全部集成在一个条状方形盒内，不需要另外的光学附件，没有调整光路和景深等问题，具有结构简单、体积小、应用方便等优点。在一些应用场合 CIS传感器比 CCD或 COMS等传感器有无法比拟的优点。在传真机、扫描仪、纸币清分兑零等领域应用非常广泛。
在本文中采用复杂可编程逻辑器件（ CPLD）设计一个新型的 CIS传感器控制器，实现了接触式图像传感器的控制和图像数据的采集。

2 硬件设计
2.1系统总体方案
根据 CIS传感器的工作原理，其输出信号是串行输出的电压信号。因此，本文中的图像处理系统包括微处理器、CPLD模块、CIS传感器接口、信号差分放大电路、图像信号的 A/D转换、双缓冲存储器接口等部分，从而实现图像的采集与处理。系统框图如图 1所示，

由于 CIS传感器的工作速度高，如果直接由微处理器（MPU）产生 CIS传感器的控制时序信号，则非常消耗微处理器的时间和资源。因此，本驱动电路以 CPLD为控制核心，微处理器不直接控制 CIS传感器。微处理器只需要控制 CPLD的页使能信号（ P_EN）和线使 能信号（L_EN）两个信号线。CPLD就能够自动完成 CIS控制时序的产生、A/D转换器控制时序的产生、数据的暂存和乒乓存储的总线切换等功能。这种采用 CPLD独立完成图像采集和数据存储，减少了微处理器对底层器件的控制，提高了微处理器在图像处理中的效率。
2.2 CIS控制模块与微处理器扁平型电感的接口设计
在图 1所示的图像处理系统中， CPLD主要完成两个任务：一是完成底层器件的控制，二是实现与微处理器 MPU的外围接口。图 1中，外围接口总线分为图像采集的控制线和缓冲存储器的读写总线两类。图像采集的控制线包括页使能信号和线使能信号两个信号。缓冲存储器的读写总线包括 8位数据线 D[0..7]、17位地址线 A[0..16]、读信号线 RD、写信号线 WR和选通信号线 CS。MPU通过 CPLD实现对 IS61C1024型缓冲存储器的读写。
2.3 CIS图像传感器的接口电路设计本文以FW2R216型CIS传感器为例，采用 EPM7128QC160型CPLD实现图像采集的控制。
(1)CIS图像信号的放大
CIS输出的图像信号幅电感厂家值比较小，通常只绕行电感器有几百毫伏，而且是叠加在一个暗电流的直流信号上。因此要对信号进行放大和零点校正。采用运算放大器 LM7131构成差分放大电路实现信号的调整，如图 2所示。图中，电阻 R1=R2，R3=R4，因此可以得到：
Vout=(Vsig-Vref)·R3/R1+V1
V1=Vref·R5/(R5+R6)
其中，Vref是为了去掉 CIS图像信号的暗电流分量，由基准稳压电源 LM285提供 1.25V
的基准电压。V1电压是为了零贴片电感器点校正，由电阻 R5和 R6对 Vref分压后经电压跟随器获得。

(3)A/D转换器的电路设计
由于灰度图像的灰阶通常为 256级，电感器价格因此选用 8位的高速并行模数转换器 TLC5540，它的最高工作频率高达 40MHz，依靠 5V单电源工作，而且内部带有基准电路构成分压电路获得参考电压[1]。+5V

TLC5540在其时钟信号的下降沿对输入模拟信号进行保持和采样，在 2.5个时钟周期后将转换的数据输出到内部总线上。当 TLC5540读选通信号 OE有效时，数据输出到外围管
脚上。 TLC5540的接口电路如图 3所示。
TLC5540的参考电压由精密基准电压源 TL431、电阻 R6和 R7构成的电路提供。 TLC5540的 CLK管脚和 OE管脚由 CPLD直接控制，分别为 AD_EN和 AD_CLK。当 CPLD产生的 AD_EN为下降沿时，CPLD使能 TLC5540的 OE脚将数据 AD[0..7]读取到 CPLD的内部寄存器中，实现信号由模拟到数字的转换过程。 3 软件设计
3.1 CPLD的逻辑功能模块设计
CPLD是 CIS控制模块的核心部件。根据 CPLD需要完成的任务，将 CPLD的逻辑功能划分为不同的模块，包括时序控制模块、 A/D数据读取模块、数据暂存地址发生器、乒乓存储的总线切换和 MPU接口模块等。CPLD逻辑功能的模块如图 4所示。 1

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