基于低维量子结构光电传感器读出电路的光电成像系统

摘要

本发明公开了一种基于低维量子结构光电传感器读出电路的光电成像系统，该系统由低维量子结构光电传感器读出电路模块、ARM模块和通用计算机成像软件模块组成；硬件模块间以总线方式连接，ARM模块输出并行控制信号、接收读出电路模块输出的状态信号，并采集串行数据；ARM模块与通用计算机通过通用串行总线(USB)方式进行通信；成像软件模块运行于通用计算机上，通过驱动程序获取数据，处理下位机上传的光电传感器各像素点的电压值并显示对应的灰度值。系统在通用计算机上呈现光电传感器所对景象的灰度图像，为光电传感器的测量、调试以及应用开发提供便利。

说明书

技术领域

本发明涉及电路设计、自动控制、通信、测量及仪器仪表等技术领域，是一种用于采集低维量子结构光电传感器读出电路数据并显示的光电成像系统。

背景技术

光电传感技术已经广泛应用于生产生活的各个方面，其中红外传感技术内容尤为丰富-从最初的军事应用逐渐扩展到现代的工业测控、医疗检测、灾害预防等各种领域。就传感器件材料而言，电荷藕合器件图像传感器(CCDs)是传统成像读出的主导者，但互补金属氧化物半导体(CMOS)技术凭借其读出速率高、功耗低、像元尺寸小、易于集成功能电路等优点不断发展，成为了与CCDs可竞争的读出成像技术，低维量子结构光电传感器即属于CMOS器件。

针对光电传感器的成像系统通常需要数据采集系统(DAQ)将传感器读出电路的输出转换为可供显示器件显示的图像数据。具体而言，读出电路模块需要外部时序驱动，一般使用数字电路控制；读出电路将传感器信号输出，一般需要模数转换器对其采样；采得数据经微型控制器(MCU)通过一定的通信方式传输给显示器件。

上述由独立模块搭建的DAQ显然过于零散，不利于系统低功耗、易调试和可靠性的实现。市场采用较多的方案是现场可编程门阵列(FPGA)外接模数转换器(ADC)，并未完全实现模块高度集成；与计算机的通信仍有使用通用同步/异步串行接收/发送器(USART)接口，数据传输速率过小，或直接使用液晶屏显示作为便携设备，对信号处理能力及通用性都不高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种为了驱动、调测低维量子结构光电传感器读出电路并为该低维量子结构光电传感器读出电路设计实现了精简且符合性能要求的光电成像系统。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于低维量子结构光电传感器读出电路的光电成像系统，采集光电传感器数据，利用通用计算机显示，特点是：

a、系统包括低维量子结构光电传感器读出电路模块、高级精简指令集计算机模块(ARM模块)和通用计算机成像软件模块，硬件模块间以总线方式连接；采用ARM模块作为读出电路模块的控制和数据采集接口，以及通用计算机成像软件模块的数据传输接口；

b、系统采用并行与串行相结合的通信方式，由ARM模块输出并行控制信号并采集读出电路模块输出的串行数据；ARM模块与通用计算机通过通用串行总线USB方式进行通信；

c、系统将ARM模块与读出电路模块组成下位机即USB设备，与上位机即通用计算机构成主从关系，由通用计算机及其上运行的成像软件模块控制；

其中：

所述低维量子结构光电传感器读出电路模块包括2×8低维量子结构光电传感器及读出电路；

所述ARM模块包括ARM控制内核、内存缓冲区、两路12位模数转换器、直接存储器访问控制器、USB设备接口、定时器和通用输入输出接口和电平转换电路；

所述成像软件模块包括操作系统驱动程序部分和应用程序部分。

上述读出电路模块中的读出电路对低维量子结构光电传感器输出值进行积分，按时序从两路引脚通过移位寄存器输出传感器各像素电压值，即数据信号，并返回状态信号。

上述ARM模块通过产生读出电路模块所需工作时序，获取读出电路模块的状态信号和数据信号；ARM模块使用两路12位模数转换器对数据信号电压值进行采样，通过DMA控制器将采样结果直接传至缓冲区并交由USB设备发送至通用计算机。

上述通用计算机成像软件模块中的操作系统驱动程序部分为读出电路模块和ARM模块组成的USB设备提供设备管理服务，应用程序部分向设备发送命令或接收数据，将采样结果转换为灰度图形显示于计算机屏幕。

上述ARM模块和通用计算机成像软件模块使用的USB通信方式采用3条管道(pipe)：端点(endpoint)1以批量输入(bulk in)传输方式作为管道1；端点2以中断输入(interrupt in)传输方式作为管道2；端点2以中断输出(interrupt out)传输方式作为管道3。

本光电成像系统基于低维量子结构光电传感器读出电路，利用单片ARM实现对该读出电路模块的控制和数据采集，并与之整合为USB设备，硬件简洁；利用自行编写的通用计算机成像软件处理数据、显示图像，可通过计算机图形化界面进行显示和控制，灵活、精确地调整读出电路积分时间，搭建了模块高度集成、数据传输速率高、性能优的光电成像系统。

对于低维量子结构光电传感器CMOS，尤其是红外CMOS传感器读出电路的驱动、调测，并进一步利用成像，为将来大规模量子结构光电传感器成像打好基础，有助于量子结构光谱仪等新型光电传感器应用及实现。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为低维量子结构光电传感器读出电路模块工作时序图

图3为本发明ARM模块硬件架构框图

具体实施方式

参阅图1，本发明由三大模块组成：低维量子结构光电传感器读出电路模块、ARM模块和通用计算机成像软件模块；硬件模块间以总线方式连接。ARM模块输出并行控制信号、接收读出电路模块输出的状态信号，并采集串行数据；ARM模块与通用计算机通过通用串行总线(USB)方式进行通信；成像软件模块运行于通用计算机上，通过驱动程序获取数据，处理并显示。

(1)、低维量子结构光电传感器读出电路模块

该模块采用专利申请号200910047116.X的2×8低维量子结构光电传感器读出电路，该电路处理和输出传感器光电转换后的电信号，主要有三部分：能对光电传感器进行光电流积分(如电荷转化成电压)的读出结构单元电路、行选和列选的移位寄存器电路、缓冲输出电路；采用0.6μm双层多晶硅双层金属(DPDM)5V CMOS工艺进行版图设计和流片，在控制电路的所有输入输出端口增加相应的驱动电路模块，对输入输出脉冲进行整形，且提高了脉冲的驱动能力；结构简单，性能稳定，控制方便。

参阅图2，该读出电路得到时钟信号(CP)即开始工作，输出正脉冲完成信号(TD)上升沿后要求得到负脉冲复位(RST)信号、SH1信号和SH2信号，使电路对传感器输出电信号进行积分。SH2上升沿结束后，电路停止积分开始输出，即每个CP上升沿时刻VOUT1和VOUT2同时输出一个像素点的电压值，共8个；之后TD输出一个正脉冲表示8路完成。此后同样一个小周期输出另外8路，两个小周期组成一个大周期，输出全部16个像素点的电压值。

(2)、ARM模块

参阅图3，模块选用ST公司的以CORTEX-M3为核心的STM32单片机型ARM，内部主频高达72MHz，拥有4个功能强大的定时器，片内集成了2个1Msps的独立12位模数转换器(ADC)、高速直接存储器访问(DMA)控制器和全速USB2.0接口，对各外设的操作利用ST公司提供的2.0版固件库实现。ARM模块通过通用输入输出引脚(GPIO)产生读出电路模块所需工作时序，获取读出电路模块的状态信和数据信号；时序的精确性由两个定时器提供，状态信号的实时性由一个中断保证；2路数据信号由2个ADC进行双通道采样，通过DMA控制器将采样结果直接传至缓冲区并交由USB设备发送至通用计算机。由于此ARM模块使用TTL电平，读出电路模块使用CMOS电平，故单片机输出引脚须设为开漏模式外接上拉电阻至5V，输入引脚选用5V耐受型。

i、状态机

由于读出电路模块时序确定，各路信号按先后次序发生，故为保障其正常工作，使用状态机思想编写ARM模块的时序输出程序。其中CP信号使用一个定时器单独产生；RST、SH1、SH2使用另一个定时器按状态机顺序控制三个GPIO引脚输出时序。当读出电路输出一个状态信号(完成信号TD)时ARM模块产生中断，中断服务程序拉低RST引脚电平并开启RST、SH1、SH2所在的定时器。

switch(状态变量)

{

   case 1：

{

    reset＝1；

    sh1＝0；

    设定sh1脉宽；

    状态变量＝2；

}

break；

   case 2：

{

   sh1＝1；

   设定sh1与sh2间隔；

   状态变量＝3；

}

break；

   case 3：

{

   sh2＝0；

   设定sh2脉宽；

   状态变量＝4；

}

break；

   case 4：

{

   sh2＝1；

   状态变量＝1；

}

break；

}

ii、ADC双通道采样与DMA传输

读出电路模块2路VOUT同时输出一个像素点的两种电压积分值，因此需要2个ADC同时进行采样，所得采样值相减后得到该像素灰度对应的电压值。STM32提供了2路ADC双通道同时采样的功能，解决了一般微控制器ADC不够或有多个ADC而无法同步启动的问题。2路ADC同时采样完成后，开启DMA功能，将采样结果从ADC寄存器直接传输至内存缓冲区，大大减轻了控制内核的工作量，从而确保系统的实时性。

iii、USB

本发明的数据传输为：USB设备向通用计算机发送大量传感器数据，以及设备与通用计算机之间控制数据的交换。故通用串行总线USB通信设置3条管道(pipe)：端点(endpoint)1以批量输入(bulk in)传输方式作为USB设备向通用计算机发送大量传感器数据传输的管道1；端点2以中断输入interrupt in)传输方式作为USB设备向通用计算机发送控制数据的传输管道2；端点2以中断输出(interrupt out)传输方式作为通用计算机向USB设备发送控制数据的传输管道3。端点0默认为USB设备控制传输的通道，为一个双向管道。4个管道设为一个接口(interface)，由此建立本USB设备模型。

上述USB设备模型的设定通过程序表达即依次在初始化阶段设置USB设备描述符(Device Descriptor)、配置描述符(Config Descriptor)(包括接口描述符和端点描述符)及其他几项设备型号字串描述符。

(3)、通用计算机成像软件模块

通用计算机成像软件模块中的操作系统驱动程序部分为读出电路模块和ARM模块组成的USB设备提供地址分配、电源等管理。驱动开发利用Visual C++6.0、Driver Studio软件和Windows XP驱动开发包(DDK)，按上述USB设备模型建立自定义USB类，生成驱动程序框架，在其中添加数据读写代码。如在端点1管道读数据函数内添加一个USB请求块(URB)，供上层应用程序读取数据时传输使用。

NTSTATUS test07Device::ReadFromEP1_Handler(KIrp I)

{

      …

      PURB pUrb＝Pipe1.BuildBulkTransfer(Mem，

                              outputSize，

                                 TRUE，

                                 NULL，

                                 TRUE，

                                 NULL)；

      …

}

应用程序部分使用Visual C++6.0及其微软基础类(MFC)编写，向设备发送命令或接收数据，将采样结果转换为灰度图形显示于计算机屏幕。在定时程序中利用Windows系统应用编程接口函数DeviceIoControl读写USB设备数据。如在定时程序中不停读取设备通过端点1向计算机发来的大量传感器数据。

if((！DeviceIoControl(g_hComputer00UsbDevice，

                     ReadFromEP1，

                     NULL，

                     0，

                     Buffer，

                      2，

                      &BytesReturned，

                      NULL))&&

   ((LastError＝GetLastError())！＝ERROR_IO_PENDING))

{...}

所得数据借助计算机CPU按相关测量标准进行处理，得出像素灰度值，利用画刷在程序界面绘制16个像素点对应的矩形色块。

CBrush brush(RGB(grey，grey，grey))；

CClientDC dc(this)；

dc.FillRect(CRect(PixelRectangle[no][0]，

         PixelRectangle[no][1]，

         PixelRectangle[no][2]，

         PixelRectangle[no][3])，

      &brush)；

界面设置设备开关、采样开关、积分时间调整等控制按钮，对设备的操作完全可以在通用计算机上执行，使仪器虚拟化。在Windows系统下安装驱动程序后，运行应用程序打开设备即可使用，对该2×8低维量子结构光电传感器的调测提供了极大便利，提高了该光电成像系统的通用性。