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CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

电子设计 2019-01-29 08:18 次阅读

成像正在成为许多嵌入式系统开发的关键部分。本文着眼于图像传感技术 - 从传感器到算法和IP - 越来越多地可用于工业视觉。

图像传感器在各种工业自动化应用中越来越受欢迎。成熟的CMOS技术正在提供更大的传感器阵列,以提供更大的视野,以及更快的图像捕获,以满足视觉检测的要求。同时,新的成像架构和新的软件算法正在提高识别速度,并使系统更具成本效益。随着现场可编程门阵列(FPGA)密度的增加和成本的降低,这些算法在工厂车间变得越来越有用,再次有助于图像传感器的普及。虽然传统观点认为机器视觉需要最高分辨率(见表1),但CMOS设备的新架构可提供更高的性能,而标准CMOS设备则用于工厂车间的更多成像和自动化应用。

终端设备类型典型分辨率HDTV 1920 x 1080像素数字影院4096 x 1714像素视频会议1280 x 720像素医学影像3000 x 3000像素工业监控1280 x 720像素军事监视4000 x 4000像素机器视觉4000 x 4000像素

CMOS传感器是工业成像的支柱。虽然它们的分辨率不如双极电荷耦合器件(CCD),但它们具有成本效益和坚固性,可用于工业成像。汽车市场中用于车道检测等应用的相同耐用性和可靠性现在可用于工业视觉。虽然CCD在工业视觉中具有性能优势,但主流传感器和相机的成本降低使得视觉成本有效地用于工厂车间,高端CMOS传感器的性能提升直接与CCD技术竞争。

新设备可以以每秒600帧的速度捕获图像,用于基本机器视觉应用,动态范围超过64 dB。像素的流水线操作可以在读出前述帧期间集成帧;正是这种结构,以及1/50,000的低寄生光灵敏度,可以将传感器的固定模式噪声(FPN)降低到室温下小于0.1%的全摆幅和暗电流噪声。

CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

图1:用于工业成像的CMOS技术。

FPGA支持工业成像

FPGA的降低成本和不断增加的密度也有助于提高视觉系统在工业自动化中的渗透率。 Altera和Xilinx等厂商正在其低成本FPGA系列上实现可视化处理算法,这些FPGA系列现在具有足够的逻辑和存储密度以及内存在该市场中非常有效。莱迪思还在优化其FPGA,作为特定图像传感器的接口,例如来自Aptina的图像传感器,以便更快,更轻松地构建视觉检测系统。例如,Altera的可重编程Cyclone III FPGA现在可以实现低成本的H.264编码器或用作DSP协处理器,以最小的工程工作量为系统添加可视处理功能,如滤波器和平滑功能。这对于检查和监视系统来说非常强大,允许为特定应用程序实现一系列第三方算法。 Cyclone III EP3CLS150F484C8具有超过150,000个逻辑单元,用于支持图像IP; Altera的评估板和评估板,如DK-DEV-3C120N和Terasic的P0037,与Altera的Quartus开发工具一起提供了这些器件的开发平台。

CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

图2:Cyclone III FPGA开发套件

内存最高可达4 Mbits的片上内存,用于视频帧缓冲。数字信号处理(DSP)乘法器高达288个嵌入式18位x 18位乘法器,性能为260 MHz,可处理DSP密集型视频算法。视频和图像处理(VIP)套件一套9个预先优化的视频和图像知识产权(IP)内核,包括去隔行器,缩放器和滤波器。 Nios II Embedded

软处理器多功能嵌入式软处理器,用于实现低成本微控制器。

为了支持更高带宽的传感器,Aptina使用名为HiSPi的高速串行接口。这可以在一到四个串行数据通道和一个时钟通道上运行。每个信号都是差分信号,可以高达700 Mbps的速度运行。这是FPGA的理想应用,莱迪思半导体使用Lattice XP2-5非易失性FPGA创建了从HiSPi到并行总线的桥接器(图3),该FPGA符合工业温度范围。 RD1120参考设计支持多种HiSPi格式,如分组化或流数据,并已使用Aptina传感器进行测试

CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

图3:Aptina HiSPi高电平的莱迪思电桥实现速度图像传感器接口。

莱迪思还推出了一款适用于IP摄像机HDR-60的参考设计,这是一款基于莱迪思FPGA系列的可投入生产的高清摄像机,可用于工业自动化应用。

该设计预装了一个基于德国莱迪思合作伙伴Helion IP核的图像处理流水线,可以提供1080p分辨率,每秒60帧,具有2D降噪和高动态范围(HDR)。它的设计适用于市售的相机外壳,能够通过简单的USB接口同时支持两个传感器。该套件采用Aptina 720p HDR传感器,提供业界最快的自动曝光,超过120 dB的系统动态范围,高效的自动白平衡算法和2D降噪 - 所有这些都通过FPGA实现流式传输而无需外部帧缓冲器,可实现极低的延迟并降低系统成本。板载DDR2内存还支持3D降噪,多个传感器的图像拼接,图像旋转和去翘曲等应用。

虽然该套件采用LatticeECP3-70 FPGA设计,但IP管道仅需要较低密度的LatticeECP3-35器件,剩余空间可用于实验和添加自定义IP。

CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

图4:莱迪思HDR-60 IP高清摄像机参考设计的图像处理流水线链接到Aptina图像传感器。

Xilinx Spartan-6也用于工业视觉系统。这可以支持广泛的图像处理IP,用于边缘增强,缺陷像素和颜色校正,以及滤色器阵列插值。

工业成像的参考设计使用带有两个子卡的Spartan-6 LX150T FPGA和带DVI/HDMI输出和DVI/HDMI输入的双图像传感器输入。

Systems

传感器本身的分辨率和帧速率只是工业用户面临的挑战之一。还有其他问题,如温度,湿度和EMC,需要由相机制造商解决。

Aven Tools的26100-240 130万像素摄像头使用Aptina 1/3英寸传感器(3.6微米x 3.6微米像素),以15 fps的速度提供1280 x 1024的水平分辨率。这是针对工业应用,通过USB 2.0的科学级非破坏性图像输出和专利设计,以防止电磁干扰,在恶劣的工业环境中至关重要。 220 g装置可轻松安装到生产线上,并通过标准USB电缆连接回控制器。

CMOS图像传感器在工业自动化中的应用

图5:26100-240 1.3 Aven Tools的百万像素摄像头。

微型相机正在进入受空间限制的工业应用。这些相机尺寸仅为29 x 29 x 30 mm,直接针对机器和计算机视觉应用,具有以60 fps运行的320万像素传感器和USB 3.0接口。

USB 3.0正在迅速获得业界的认可,这主要得益于其更高的带宽,更高的可靠性和架构,以及各种硬件平台上的广泛可用性。 USB 3.0的传输速度为384 MBytes,几乎是USB 2.0的10倍,比Firewire快5倍。现在,许多嵌入式系统都提供USB 3.0端口,可最大限度地提高系统兼容性,并最大限度地减少对附加PCI或PCI Express接口卡的需求。

结论

CMOS技术已经迅速赶上了CCD的性能。凭借Aptina的A-Pix等新型像素架构和HiSPi等高速接口,CMOS传感器可提供与CCD相同的性能水平。随着FPGA技术密度的增加和成本的降低,现在有更多机会与图像传感器一起实施新算法,以进一步提高成像的准确度和分辨率,并允许更具成本效益的渗透到工业市场。更精确的边缘和图案检测算法有助于系统设计在特定应用中充分利用图像传感器的性能。

随着更多CMOS传感器被应用于汽车设计中,具有更宽的温度范围和抗干扰性,该技术正在工业成像和视觉系统中得到应用,从而减小了尺寸,功耗和成本,同时实现了生产线的更多自动化。从监控摄像头到特定的视觉检测系统,CMOS图像传感器是许多工业应用的核心。

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该固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特性 1mA时指定的最低发光强度 低电流下的高光输出 宽视角 出色的材料效率 低功耗/低正向电压 CMOS /兼容MOS 兼容TTL 热门T-1封装中的深红色 可用卷带包装
发表于 07-04 11:36 0次 阅读
HLMP-K150-CD002 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

HLMP-K150-C00A1 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

这种固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特征 1 mA时指定的最低发光强度 低电流时的高光输出 宽视角 出色的材料效率 低功耗/低正向电压 CMOS / MOS兼容 TTL兼容 热门T-1包装中的深红色 适用于直角外壳
发表于 07-04 11:35 2次 阅读
HLMP-K150-C00A1 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

HLMP-K150-C0002 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

这种固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特征 1 mA时指定的最低发光强度低电流时的高光输出宽视角出色的材料效率低功耗/低正向电压 CMOS / MOS兼容 TTL兼容热门T-1封装中的深红色可用卷带和卷轴
发表于 07-04 11:35 0次 阅读
HLMP-K150-C0002 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

HLMP-K155-D0002 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

该固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特性 1mA时指定的最低发光强度高光输出低电流电流宽视角出色的材料效率低功率/低正向电压 CMOS / MOS兼容 TTL兼容深红色
发表于 07-04 11:35 17次 阅读
HLMP-K155-D0002 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

HLMP-K150-CD000 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

这种固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特征 1 mA时指定的最低发光强度低电流时的高光输出宽视角出色的材料效率低功耗/低正向电压 CMOS / MOS兼容兼容TTL 深红色可以批量提供
发表于 07-04 11:34 19次 阅读
HLMP-K150-CD000 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

HLMP-K150 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

这种固态LED灯采用双异质结(DH)AlGaAs / GaAs材料技术。这种LED材料在极低的驱动电流下具有出色的光输出效率。主波长为637纳米时,颜色为深红色。该灯非常适用于需要高光输出且功率输出最小的应用。 特征 1 mA时指定的最低发光强度 低电流时的高光输出 宽视角 出色的材料效率 低功耗/低正向电压 CMOS / MOS兼容 TTL兼容 热门T-1包装中的深红色 散装可用
发表于 07-04 11:34 21次 阅读
HLMP-K150 T-1(3 mm),低电流,双异质结AlGaAs红色LED灯

BCM84780 具有IEEE 1588的Octal-Port 10-GbE SFI-XFI PHY

八通道10-GbE SFI到XFI(10千兆位串行电气接口)PHY,集成了支持SFP +线卡应用的电子色散补偿(EDC)均衡器集成IEEE 1588时间戳。   BCM84780是一款多速率PHY,适用于SMF,MMF或铜双轴应用,可连接基于限制和基于线性的SFP +和SFP模块。 BCM84780完全符合10-GbE IEEE 802.3aq标准,并且还支持1000Base-X用于1-GbE操作。 功能 八通道SFI-to -XFI PHY采用低功耗40 nm CMOS工艺技术开发 IEEE 1588时间戳,以及带有Sync-E恢复时钟输出的Y.1731 支持SFP + SR,LR和LRM光接口 支持SFP +铜双轴 LRM模式支持300m MMF,超过IEEE 802.3aq标准 应用 高清电视 ...
发表于 07-04 10:25 24次 阅读
BCM84780 具有IEEE 1588的Octal-Port 10-GbE SFI-XFI PHY

BCM84756 具有IEEE MACsec / 1588的10-GbE Quad SFI-XFI PHY

四通道10-GbE SFI-to-XFI(10千兆位串行电气接口)PHY,集成了支持SFP +线路卡应用的电子色散补偿(EDC)均衡器具有集成的IEEE 802.1AE MACsec和IEEE 1588时间戳。   BCM84756是一种多速率PHY,适用于SMF,MMF或铜双轴应用,可与基于限制的两种应用接口连接和基于线性的SFP +和SFP模块。 BCM84756完全符合10-GbE IEEE 802.3aq标准,并且还支持1000BASE-X用于1-GbE操作。 功能 四通道SFI到-XFI PHY采用低功耗40 nm CMOS工艺技术开发 支持集成IEEE 802.1AE MACsec和IEEE 1588时间戳 支持SFP + SR,LR和LRM光接口 支持SFP +铜双轴 应用程序 DSLAM 刀片服务器 企业局域网切换 线卡 路由器 架顶式交换机...
发表于 07-04 10:23 29次 阅读
BCM84756 具有IEEE MACsec / 1588的10-GbE Quad SFI-XFI PHY

BCM84128 用于DP-QPSK相干光模块的128Gb / s CMOS发送器(MUX)

128Gb / s 20:4/10:4 MUX用于100G DP-QPSK长途,区域和城域光传输。   100G发送器实现了128 Gb / s的总数据速率,功耗极低,功耗为2瓦,可实现高容量,100G光模块和线卡设计。采用40 nm CMOS工艺技术的BCM84128发送器提供32 GHz的全速率时钟输出和16 GHz的半速率时钟输出。时钟和数据偏斜控制等高级功能可调整线路侧接口的通道间偏斜和日期时间偏差。 功能 功耗比竞争器件低60%(低于2瓦) 通过4个32.1G通道实现128Gb / s2的总数据速率 通过验证,可靠性和可测试性更高40 nm CMOS工艺技术...
发表于 07-04 10:23 21次 阅读
BCM84128 用于DP-QPSK相干光模块的128Gb / s CMOS发送器(MUX)

BCM94500 先进的调制卫星接收机评估系统

Broadcom的BCM94500是一种卫星接收器参考设计,可减少产品设计和开发时间。   Broadcom的BCM94500先进的调制卫星接收机评估系统是为具有Turbo码FEC的BCM4500高级调制卫星接收机而设计的。它还旨在供硬件设计人员和软件开发人员使用,以减少产品设计和开发时间。简化的用户界面使工程师可以轻松访问各种系统参数,从而允许他们为BCM4500选择最佳设置以匹配链路预算要求。硬件工程师和软件开发人员可以将BCM94500用作最终产品架构的基准,并将其用作测试和测量设备,以验证其最终产品性能。 功能 基于BCM3440直接转换CMOS卫星调谐器和BCM4500高级调制卫星接收器的评估系统  支持1-30 Mbaud 8 PSK调制,带有turbo码FEC,不推荐用于新设计的QPSK系统   DIRECTV或DVB格式的标准MPEG-2输出 应用程序 机顶盒...
发表于 07-04 10:05 31次 阅读
BCM94500 先进的调制卫星接收机评估系统

PCF8951的AD和DA模块使用说明免费下载

PCF8591 是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS 数据获取器件。PCF8591....
发表于 07-04 08:00 57次 阅读
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高性能CMOS全加器设计的详细资料说明

全加器是数字信号处理器微处理器中的重要单元,它不仅能完成加法,还能参与减法、乘法、除法等运算,所以,....
发表于 07-03 17:11 51次 阅读
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TDA7313音频处理芯片的特性及应用

TDA7313是三对输入四声道输出数字控制音频处理芯片。该芯片采用深亚微米CMOS工艺技术制造,芯片....
的头像 牵手一起梦 发表于 07-03 14:55 552次 阅读
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SD223B单按键触摸及接近感应开关IC的数据手册免费下载

SD223B是一款单按键触摸及接近感应开关,其用途是替代传统的机械型开关。该IC采用CMOS工艺制造....
发表于 07-03 08:00 46次 阅读
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三通道输入八通道输出译码器D74HC138的中文资料免费下载

本文档的主要内容详细介绍的是三通道输入八通道输出译码器D74HC138的中文资料免费下载,主要应用于....
发表于 07-02 17:05 47次 阅读
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MM54HC138和MM74HC138的3到8线解码器数据手册免费下载

该译码器采用先进的硅栅CMOS技术,非常适合于存储器地址译码或数据路由应用。该电路具有高噪声抗扰性和....
发表于 07-02 16:33 44次 阅读
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MM54HC595和MM74HC595带输出锁存的8位移位寄存器的数据手册免费下载

这种高速移位寄存器采用了先进的硅栅CMOS技术。该器件具有标准CMOS集成电路的高抗噪性和低功耗,并....
发表于 07-02 16:33 47次 阅读
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如何进行CMOS放电和清除BIOS密码

大家都知道,如果不小心忘记了BIOS密码,可以通过对CM0S放电来破坏BI0S中的设置,从而达到清除....
发表于 07-02 15:37 63次 阅读
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CMOS集成电路制造工艺的详细资料说明

从电路设计到芯片完成离不开集成电路的制备工艺,本章主要介绍硅衬底上的CMOS集成电路制造的工艺过程。....
发表于 07-02 15:37 52次 阅读
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从RGGN到RYYB 手机图像传感器能逆袭单反吗?

在智能手机的影像道路上,特定化的优势会带来显著的竞争力。而定制的CMOS图像传感器滤镜结构则体现厂商....
的头像 MEMS 发表于 07-02 10:12 1125次 阅读
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索尼推出世界最小监控用CMOS图像传感器IMX415

这款有效像素达到846万像素的“IMX415”采用索尼自主的高灵敏度和低噪点技术,在低光照条件下也能....
的头像 MEMS 发表于 06-30 12:16 911次 阅读
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手机摄像头传感器到底能不能逆袭单反CMOS

首先大家都知道摄影是用“光”的艺术,而光是要传到传感器上话,则需要透过镜头的折射,镜头一般由透镜(5....
的头像 摄像头观察 发表于 06-30 11:45 1002次 阅读
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比较器LM393的常用12种应用电路分享

本文档的主要内容详细介绍的是比较器LM393的常用12种应用电路分享。
的头像 张飞实战电子 发表于 06-30 11:22 824次 阅读
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浑浊水摄像机和高清水下摄像机拍摄对比

众所周知,人类的眼睛实际上不仅仅是一部摄像机那么简单,人类的眼睛在观察环境的时候,实际上只有眼前的中....
的头像 水下机器人 发表于 06-29 10:44 666次 阅读
浑浊水摄像机和高清水下摄像机拍摄对比