运动控制和图像传感器IC简化智能摄像头设计

　　随着图像系统的应用日益多样化，对摄像头系统的要求和设计约束也更为繁多。但基本原理并未改变：要做的就是快速准确地在一维或两维中定位摄像头；调焦、取像并处理图像。但是图像系统现已被用于多种不同的应用和环境中，从监控、安防到工业机器视觉和程序控制，以及车辆上的避障和盲点辅助，无所不包。结果导致对设计的要求不断增加，比如降低功耗、减小尺寸，在安全关键的应用中，还需要具有切实可信的可靠性。同时，这些新应用本身的要求更为苛刻：系统需要更快地取像，并执行更多的处理任务。它们也需要在各类条件下工作：比如，在光线强度变化的条件下， 同时它们也要耐受（并且按规格运转）严酷的环境，比如在工业环境和车辆中会遇到的各类情况。

　　在系统层面，这些不断增加的要求使得系统集成商和应用开发商们越来越多地转向他们的供应商以寻求帮助。他们需要将全部时间和资源用于真正能为他们带来增值的业务：能够真正实现应用并提供图像，这一问题往往非常复杂。能够为系统开发商提供帮助的是，供应商的工程师们对照相机如何定位并聚焦、是否有适量的光线到达传感器或者变焦镜头设置是否正确等“基本的技术问题”进行了考虑。结果导致摄像头制造商现在面临前所未有的压力，需要提供能够在较高水平控制，同时又结合了易用性的产品。实际上，朝自动或智能摄像头发展的趋势，可以看作是上述趋势的必然延伸。

　　在系统集成商和应用开发商向摄像头供应商寻求帮助的同时，摄像头以及嵌入式视觉传感器制造商也遇到了类似情况，他们都寄望于零件制造商能简化他们的工作。因此，半导体行业开始引入集成了许多必要功能的多种专用IC，这些功能中有一些原本是在软件中应用的。

IC解决方案

　　这一性能非常关键的一点，就是CMOS图像传感器IC的改进，它可将传感功能与控制处理功能完美地结合在一起。再加上成熟的软件和IP，以及种类越来越丰富的混合信号运动控制器件，所以这些都极大简化了智能摄像头的设计和实现，赋予设计人员充分的自由，使他们能够将精力集中于可以增加价值及提高竞争优势的应用方面。

　　混合信号特定应用标准产品 (ASSP)能够提供运动控制和传感器技术，这些器件可以结合使用，组成一个完整的系统。检查和机器视觉应用往往要求运动为三维形式，这通过步进电机控制实现，对速度和准确度都有非常严格的要求。运动控制的传统解决方案包括数字信号处理器 (DSP) 的使用、提供解码器输入和电机输出的某类定制逻辑电路及一组模数和数模转换器（ADC和DAC），还需要与主机系统连接的接口。


单芯片运动控制

　　通过将总线连接、定位、控制电路和电机驱动器集成于单一封装，步进电 机控制器等设备可以取代大量的运动控制电路。它们为远程和多维定位应用提供微型、高集成度的解决方案。其中包括采用LIN接口或串行连接，因为它们的截面高不到1mm，占用面积为7mm x 7mm，可以帮助设计人员满足日益增长的小型化需求。图2显示了一个 IC 的框图，它提 供集成的阻转 检测和连续转动功能，是一个数字运动控制器和50mA-800mA的双极两相步进电机驱动器。这种驱动器提供微步进操作，因此不需要在速度、噪声和共振导致的失步之间进行权衡。运动控制器提供可编程峰值电流，采用20kHz PWM电流控制方案。

　
　　器件通过它的 LIN 或 I 2 C 接口接收顶层位置指令，并驱动电机线圈到需要的位置，无论它们的起始位置在哪里。运动控制器可以进行配置，通过它的LIN/串行接口或性编程 (OTP) 存储器，与一系列不同尺寸的步进电机配合使用。该配置过程包括性设定正确的运动参数，这些参数包括微步进分辨率、运行电流、保持电流、加速度和减速度。在 AMIS-30623 和 AMIS-30624 步进电机控制器中，一个内置的“审核模式”可以使设计人员检验选定的运动参数是否与应用要求相匹配。

　　L IN 接口选项可与远程应用完美搭配：使用总线型系统不仅可以减少布线，还能提高 EMC 性能，这在汽车应用环境下是重要的考量因素。I 2 C 版本更适合在单个 PCB 上作为微控制器外围器件使用。在两种情况下，AMIS-30623 和 AMIS-30624都能有效作为主驱动器或控制器的辅助器件，可以获取实际位置和错误标记等状态信息，以确保系统整体平稳运转。

　　使用高层命令接口具有几个优势：它减少了主设备端的处理器负载；意味着应用程序可以方便地进行扩展：更为复杂的实施中，处理器负载不会显著增加；它也使模块化硬件和软件设计成为可能，从而在进行初始开发以及扩展性两方面获益。

　　为了提供的灵活性，器件的供电电压从8V至29V均适用：典型的100μA睡眠模式供电电流，保证它们能够用于对功耗为敏感的应用中。可选的无传感器停转检测功能防止位置控制器失步，并在电机阻转时停止电机。在初始参考运行时通过执行的位置校准，它还允许在接近机械终点止动位时执行半闭路运行。因为不需要外部传感器，并且阻转检测功能不需要额外的程序改变，因此可以快速、轻松并经济有效地执行阻转检测。

取像和处理 ASSP

　　在 定位时，变焦和焦距控制是所有图像传感器基本操作中的重要部分，今天的视觉系统往往要求设计中的光学部分实现更高的性能和更快的上市时间，并且能与相关的运动控制部件轻松整合。典型例子包括汽车行业新兴的“实时”智能摄像头应用，例如车内驾驶员辅助功能，包括后视停车辅助、盲点检测、障碍检测和避障功能。这类应用需要在所有驾驶和光线条件下实时执行准确的边缘和模式识别，因此需要高信噪比 (SNR) 的快速传感器。随着汽车行业向“线控驾驶”进一步发展，这类需要会日益迫切。

　　通常，这些应用与恶劣的环境相关，并需要在很差的照明条件下（或甚至在红外光谱中）工作。这些功能对于上文中略述的机动车系统的重要性显而易见，它在安全应用、交通控制系统或要求更为苛刻的流程监控以及焊接控制和机器视觉系统等工业应用中，也都占有同等重要的地位。

　　C MOS 图像传感器可帮助设计人员应对这些挑战，如图3所示。这一高性能的 CMOS 设备为同时要求高工作温度范围(?40℃至105℃)和高动态范围(120dB)的应用进行了优化。它集成了高速片内 ADC，器件通过一个 RS232 接口可以实现分辨率750 x 400、刷新频率为60f/s的显示以及缩小的兴趣点更高的刷新频率。 

　

　　为了消除在抓取快速移动的场景时图像失真的情况，有些图像传感器可能会使用全局快门技术。与使用“卷帘式快门”的CMOS传感器不同，此传感器的每一像素都在同一时刻感光，减少运动伪影的出现。其中的很多优势，以及器件不会出现延迟或拖尾情况而获取高对比度图像的能力，都是由于引入了 LinLog技术。它在低照明条件下采用线性响应，在高亮度条件下则采用对数压缩，克服了纯对数图像传感器的缺点。

　　在一个典型的对数探测器中，对应每一像素的光电流直接被转换为电压信号，与入射光线的亮度呈对数关系。实质上，不存在“曝光时间”。其长处是传感器可以以完全随机的时间间隔进行读取，缺点是其固有的顺序寻址系统在对移动物体进行成像时，会构成一个虚拟的“卷帘式快门”，此外，系统不能在脉冲照明的情况下使用，因为在这种情况下脉冲没有同步对象。

　　LinLog 由位于苏黎世的 CSEM 开发，它结合了全局快门，并对响应曲线中照明强度的上半区间进行对数压缩。它可以对两个响应曲线间的转换区域进行平稳调整，保证过渡区域的单调性及光滑度，以杜绝伪影和不连贯情况的出现。总体来说，系统可以获取极高对比度的图像，在低照明水平下实现限度的灵敏度，同时减少固定模式偏移以及对数传感器中有时出现的增益噪音的影响。这一功能对于需要在光线变化的条件下进行操作的应用极为重要；例如，需要在强光线照射传感器时仍能对物体进行识别，比如大 灯照到后视系统，在交通控制或安全监控照相应用中面对落日的情况。

　　这一技术使系统的设计人员在千差万别的照明条件下，大大节省了时间和资源。为了更轻松地实现整合，设备有几种获取模式可供使用。种为“自由运行”，它在没有外部 控 制信号的情况下取像。传感器在设定的积分时间后进行读取，然后再重置：有多种控制标志和信号用于系统同步，同时还提供握手信号(handshaking)帮助与 CameraLink 等接口规格保持一致。

　　此 外，传感器可以由外部脉冲触发，在预设的曝光时间和输出数据后读取图像。同样，多种控制标志和状态信号可以指示数据何时输出并有效，然后，照相机等待下脉冲触发。

　　器件也可在可编程模式下使用，提供更为灵活的摄像头应用方案：例如，设定对数响应曲线以及线性和对数区域之间的转换点。在不需要高对比度的情况下，也可将传感器设成纯线性模式。在低照明高帧率的极端情况下，skim 模式采用与伽马校正类似的非线性放大，与更大的信号相比，它可以提高小信号输出水平。LinLog 转换点甚至可在传感器积分时间内进行调整，产生一组与连续转换所产生的曲线不同的响应曲线。

总结

　　新 一代传感器和运动控制器件创造的便利条件，使视频系统设计人员能够在其设计中使用成熟可靠的解决方案、软件和 IP，而不会失去他们需要的灵活性。更为智能化、可在更高层面进行控制的摄像头应用成为大势所趋，这使得系统集成商可以将更多精力放在产品的价值上，而不是在定位、对焦和照明等低层面细节上耗费时间。随着这一发展态势的继续，它们将促使视频系统以更低的成本、更快的上市时间在更为复杂的应用中得已实施。