BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
Nguyễn Chí Dũng
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ
THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Kỹ thuật viễn thông
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. TS. Nguyễn Hoàng Dũng
Hà Nội – 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Nguyễn Chí Dũng
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CÁC HỆ THỐNG CẢM BIẾN CHO HỆ
THỐNG CAMERA TỐC ĐỘ CAO
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
3.1.Đánh giá camera và điều kiện .......................................................................... 42
3.2 Tỷ lệ khung hình và khả năng xử lý điện nạp .................................................. 43
3.3 Đánh giá nhiễu của ISIS-V12 .......................................................................... 45
3.4 Cải thiện ........................................................................................................... 45
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẢM BIẾN PHÁT HIỆN SỰ KIỆN Ở TỐC ĐỘ
CAO VÀ ĐỒNG BỘ VỚI ISIS-V16 CAMERA [6] ..................................................... 48
I. Cơ sở lý thuyết ........................................................................................................ 48
1.1 Ý tưởng............................................................................................................. 48
1.2 Cơ sở thực hiện ................................................................................................ 48
1.3 Công cụ sử dụng............................................................................................... 49
1.4 Chỉ tiêu kỹ thuật ............................................................................................... 50
II. Thiết kế hệ thống ................................................................................................... 50
2.1 Sơ đồ khối hệ thống ......................................................................................... 50
2.2 Khối cảm biến .................................................................................................. 50
2.3 Khối điều khiển ................................................................................................ 53
2.4 Khối hiển thị ..................................................................................................... 64
III. Mô phỏng trên Modelsim ..................................................................................... 64
3.1 Các thông số cơ bản và công cụ để mô phỏng ................................................. 64
3.2 Tạo trễ 80ns ...................................................................................................... 65
3.3 Tạo trễ 1us ........................................................................................................ 66
3.4 Nguyên nhân gây ra sai số về độ trễ ................................................................ 67
IV. Thiết kế mạch phần cứng CPLD EPM240T100C5N TQFP100 ......................... 67
4.1 Khối nạp ........................................................................................................... 67
4
4.2 Khối cảm biến và xử lý tương tự ..................................................................... 67
Hình 22. Mô phỏng trường điện từ quanh trục X-Z....................................................... 39
Hình 23. Hoạt động của 2 kênh CCD liền nhau trong 4 phase truyền ........................... 41
Hình 24. ISIS-V16 camera thế hệ đầu tiên để đánh giá hiệu năng ................................ 42
6
Hình 27. Quạt điều khiển bằng lase có 200 cánh ........................................................... 43
Hình 27. Một phần cánh quạt được chụp bởi ISIS-V16 camera .................................... 43
Hình 27. Mối quan hệ giữa tốc độ bắt hình và sự quay của cánh quạt .......................... 43
Hình 28. Bốn ảnh liên tiếp của một xung tạo ra ảnh sáng từ LED (a) truyền thành công
và (b) truyền không hiệu quả ......................................................................................... 44
Hình 29. Mối quan hệ giữa khả năng chứa điện tích tối đa ứng với các tốc độ bắt hình
khác nhau........................................................................................................................ 44
Hình 30. Sơ đồ khối hệ thống nhận biết phát hiện sự kiên ở tốc độ cao........................ 49
Hình 31. Sơ đồ nguyên lý mạch khuếch đại tín hiệu sử dụng IC INA118 .................... 51
Hình 32. Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến ánh sáng ........................................................ 51
Hình 33. Sơ đồ luồng dữ liệu của khối tạo trễ ............................................................... 52
Hình 34. Kiến trúc bên trong khối tạo trễ ...................................................................... 54
Hình 35. Luồng dữ liệu vào ra của bộ chốt tín hiệu....................................................... 55
Hình 36. Kiến trúc của bộ chốt tín hiệu ......................................................................... 55
Hình 37. Mô phỏng hoạt động của bộ chốt tín hiệu ....................................................... 56
Hình 38. Sơ đồ luồng dữ liệu của bộ tạo trễ .................................................................. 56
Hình 39. Kiến trúc của bộ tạo trễ ................................................................................... 57
Hình 40. Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ chia tần số ................................................ 59
Hình 41. Kiến trúc của bộ chia tần số 10 lần ................................................................. 59
Hình 42. Hoạt động của bộ chia tần số 10 lần ............................................................... 60
Hình 43. Sơ đồ luồng dữ liệu vào ra của bộ tạo chu kỳ trễ ............................................ 60
Hình 44. Kiến trúc của bộ tạo chu kỳ trễ ....................................................................... 61
Hình 45. Sơ đồ luồng dữ liệu của màn hình LCD 16 x 2 .............................................. 62
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của tôi phối hợp
cùng với nhóm nghiên cứu, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn
Hoàng Dũng.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực.
Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Học viên
Nguyễn Chí Dũng
10
MỞ ĐẦU
1. Tổng quan về camera tốc độ cao
Trong cuộc sống, sản xuất hay nghiên cứu, có nhiều sự kiện xảy ra trong thời gian
cực kỳ ngắn hoặc các chuyển động với tốc độ rất cao và chúng ta không thể quan sát
được bằng mắt thường.
Trước đây, phương pháp cổ điển là dùng một máy quay phim ghi lại các hình ảnh
đó và phát chậm lại để quan sát và phân tích. Tuy nhiên, các máy quay phim thông
thường chỉ đạt tốc độ 24 hình/giây (hệ PAL) hoặc 30 hình/giay (hệ NSTC) do đó nó
không thể ghi lại được các chuyển động tốc độ cao và bỏ sót rất nhiều các hình ảnh, sự
kiện quan trọng.
Từ thực tế đó, hệ thống Camera tốc độ cao được nghiên cứu, phát triển để có thể
ghi lại các sự kiện hay các chuyển động với tốc độ cao và phát lại ở tốc độ chậm để quan
sát cũng như phân tích tỉ mỉ các chuyển động và các vấn đề liên quan khác.
Hiện nay, hệ thống camera tốc độ cao đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều
ngành công nghiệp sản xuất cũng như trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học.
2. Ứng dụng của camera tốc độ cao
Hiện nay hệ thống camera tốc độ cao được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác
thấy được như vòi phun nhiên liệu, buồng đốt của động cơ, tuabin v..v.
-
Nghiên cứu và phân tích chuyển động của các dòng chất lỏng.
-
Nghiên cứu và phân tích các quá trình phun phủ, mối hàn.
-
Nghiên cứu và phân tích quỹ đạo chuyển động
Chính vì vậy tác giả và nhóm nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của giáo sư T. G.
Etoh và TS. Nguyễn Hoàng Dũng đã chọn đề tài Nghiên cứu các hệ thống cảm biến cho
camera tốc độ cao.
Mục đích của đề tài là xây dựng hệ thống cảm biến nhận biết sự kiện xảy ra trong
thời gian rất ngắn và đồng bộ với việc bắt hình của camera. Định nghĩa, nghiên cứu cấu
trúc, phân loại và cách thức hoạt động của các cảm biến, từ đó đề xuất thiết kế hệ thống
cảm biến phát hiện sự kiên ở tốc độ cao và một số kết quả mô phỏng đi kèm.
12
Nội dung của đề tài và các vấn đề cần giải quyết được chia ra thành các phần như
sau:
- Chương 1: Công nghệ CMOS và CCD. Trong chương này tác giả sẽ đề cập
đến khái niệm cũng như phân loại các loại cảm biến hình ảnh. Sau đó sẽ đi sâu vào tìm
hiểu cấu trúc và ưu nhược điểm của từng loại cảm biến dòng CCD hoặc là CMOS.
tử bên trong máy ảnh và các thiết bị điện tử tạo ra hỉnh ảnh ban đầu đã chụp.
Hình 1. Chip CMOS và CCD trong thực tế
14
Cảm biến hình ảnh là một thiết bị phần cứng nhỏ, có khả năng thu nhận ánh sáng
và chuyển đổi các photon thu nhận được thành các tín hiệu số và phục hồi lại hình ảnh
ban đầu trên các thiết bị điện tử. Hiện nay, có hai công nghệ chính mà có thể được sử
dụng cho các bộ cảm biến hình ảnh trong một máy ảnh là CCD (Charge-coupled Device)
và CMOS (Complementary Metal-oxide Semiconductor).
CCD là một trong những công nghệ lâu đời nhất trên máy ảnh số, với chất lượng
ảnh chụp vượt trội so với CMOS nhờ có dải tần nhạy sáng và kiểm soát nhiễu tốt hơn.
Hiện nay, CCD vẫn được sử dụng nhiều trong các mẫu máy ảnh du lịch giá rẻ, song quá
trình lắp ráp khó khăn và điện năng tiêu thụ quá nhiều của CCD đã dẫn tới sự thống trị
của CMOS.
Trong lịch sử, cảm biến CMOS luôn được cho là có chất lượng ảnh chụp thấp hơn
so với CCD, nhưng các đột phá về công nghệ mới đã khiến cho chất lượng của CMOS
hiện đại trở nên ngang bằng hoặc thậm chí là vượt qua cả tiêu chuẩn của CCD. Với nhiều
tính năng được tích hợp sẵn hơn là CCD, cảm biến CMOS hoạt động hiệu quả hơn, cần
ít điện năng hơn và chụp ảnh tốc độ cao tốt hơn CCD.
1.2 Kiến trúc cảm biến thu thập hình ảnh
Đây là bộ cảm biến ánh sáng nằm trong máy ảnh kỹ thuật số có tác dụng chuyển
ánh sáng thu nhận từ môi trường bên ngoài sang tín hiệu điện. CCD (Charged Couple
Device ) bao gồm hàng triệu tế bào quang điện, mỗi tế bào có tác dụng thu nhận thông
tin về từng điểm ảnh (pixel )
Để có thể thu được màu sắc máy ảnh kỹ thuật số sử dụng bộ lọc màu (color filter
) trên mỗi tế bào quang điện. Các tín hiệu điện tử thu được trên mỗi tế bào quang điện
sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu kỹ thuật số nhờ bộ chuyển đổi ADC (Analog to digital
do CCD đòi hỏi phải có dây chuyền sản xuất riêng trong khi có thể sử dụng dây chuyền
sản xuất chip, bảng mạch thông thường để sản xuất CMOS
Những CCD được chế tạo đặc biệt để có thể chuyển tín hiệu nạp tới chip mà
không bị méo tín hiệu. Sự xử lý này để sản xuất những cảm biến với chất lượng cao với
độ tin cậy cao và độ nhạy sáng cao
Như một máy ảnh bình thường, một máy ảnh số có một thấu kính và một cửa trập
cho phép ánh sáng đi qua. Nhưng có một điểm khác là ánh sáng tác dụng lên một mảng
của những tế bào quang điện hoặc những ô cảm quang thay cho phim. Mảng tế bào quang
điện là một chip khoảng 6-11nm chiều ngang. Mỗi bộ cảm biến hình ảnh là một thiết bị
tích điện (Charged Couple Device – CCD ), nó chuyển đổi ánh sáng thành điện tích. Sự
17
tích điện được lưu dưới dạng thông tin tương tự rồi được số hóa bởi một thiết bị khác
gọi là bộ biến đổi tương tự - số (Analog to Digital Converter – ADC ).
Mỗi phần tử quang điện trong mảng của hàng ngàn phần tử, tạo ra một pixel và mỗi pixel
chứa một vài thông tin được lưu trữ. Một số máy ảnh số sử dụng bộ cảm biến hình ảnh bằng
chip CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor ). Công nghệ CMOS liên quan
tới quá trình thiết kế bộ cảm biến. Quá trình này cũng giống quá trình sản xuất hàng loạt
DRAM và những bộ vi xử lý nên bộ cảm biến CMOS rẻ hơn và dễ làm hơn nhiều so với
bộ cảm biến CCD.
II. Cảm biến CCD và CMOS
2.1. Cảm biến CCD [1]
2.1.1 Tổng quan về CCD
Ánh sáng được thu thập toàn bộ trên khung hình cùng một lúc. Sau đó ánh sáng
sẽ được tắt để các photon đã thu được có thể được chuyển xuống các cột. Cuối cùng, mỗi
dòng dữ liệu được chuyển đến một thanh ghi ngang riêng biệt, các gói dữ liệu cho mỗi
hàng được đọc ra tuần tự và cảm nhận bởi một chuyển đổi photon thành điện áp và đi tới
phần khuếch đại.
vùng hoặc dễ bị thừa sáng, thiếu sáng. Để xử lý vấn đề này, một bộ đọc ảnh có kích
thước bằng mạng lưới các hạt sáng được bổ sung xen kẽ để làm tăng tốc độ xử lý ảnh
mà không bị suy giảm chất lượng, do đó quá trình đọc ảnh chỉ qua một lần đổ dữ liệu.
Nhưng sự cải thiện này đỏi hỏi phải có thêm không gian trên chip. Mà để sản xuất chip
CCD cần có những thiết bị, phòng lab chuyên dụng, khiến cho giá thành CCD trở nên
đắt.
2.1.2 Cấu trúc CCD
Cấu trúc CCD bao gồm một loạt điện cực gần nhau tách ra từ một chất bán dẫn
cơ bản bởi một lớp oxit cách điện mỏng (hình 1.5a). Khi một giá trị điện áp được đặt lên
một điện cực , một vùng nghèo được hình thành trong các chất bán dẫn ngay bên dưới
nó. Các vùng nghèo có hiệu lực như một giếng thế mà có thể lưu trữ một điện tích. Sự
va đập các điện tích hình thành kênh truyền giữa các điện cực theo trình tự vì thế các
20
điện tích truyền được trong kênh bán dẫn (hình 1.5b). CCD ban đầu được dùng như một
thiết bị lưu trữ kỹ thuật số thông tin và trở thành cảm biến hình ảnh của hệ thống hình
ảnh ánh sáng nhìn thấy và trong các ứng dụng khoa học cụ thể.
Hình 8. Cấu trúc cảm biến CCD
Hình 9. Hoạt động của cảm biến CCD
Trước sự phát triển của CCD, hình ảnh điện tử hầu như dựa trên việc sử dụng ống
camera. Là một thiết bị trạng thái rắn CCD có kích thước nhỏ gọn, độ chắc chắn và hoạt
động điện áp thấp. Quan trọng là silicon( cấu tạo của chất bán dẫn trong CCD) là rất nhạy
với ánh sáng nhìn thấy được.CCD có khả năng tiếp thu và cảm nhận rất gần như tất cả các
photon tới. Với chế tạo và tối ưu hóa phù hợp, silicon cũng có thể đáp ứng tốt với cực ánh
sáng cực tím và mềm X-quang.
Cảm biến hình ảnh CCD được hình thành từ một mảng điện chạy trực giao để một loạt
Hình 11. Hai dạng cấu trúc cơ bản của CCD
Trong CCD chuyền frame, các mảng lưu trữ được thêm vào bên dưới các mảng
hình ảnh. CCD chuyển đa dòng các mảng lưu trữ là incor-porated và được che chắn liền
kề với các cột hình ảnh. Hạn chế trong phương pháp này là độ nhạy giảm một nửa. Khoa
học còn phát triển CCD TDI dùng khi không đủ ảnh sáng để thu nhận được tín hiệu, cấu
trúc của nó là cơ bản giống như một mảng CCD full-frame ngoại trừ các định dạng hình
ảnh xy (chiều rộng x thường lớn hơn nhiều y). CCD đã đạt đến việc thu hàng triệu điểm
ảnh, hiệu suất lượng tử cao hơn trong một phạm vi rộng quang phổ, nhiễu readout thấp
và dải động rộng.
23
Sự ra đời của CCD trong đó thêm một lớp n-type silicon được hình thành ở phía
trên cùng của loại chất nền loại p và ngay bên dưới lớp cách điện silicon dioxide. Các ntype silicon buộc giếng điện thế hình thành trong chất nền và tránh xa lớp dioxide silicon.
Hình 12. (a) Bộ khuếch đại tín hiệu đầu ra CCD và (b) Tương quan lấy mẫu đôi
2.1.3 Sai số (nhiễu ) trong Readout (tín hiệu không mong muốn)
Các mạch đầu ra của một CCD là một bộ khuếch đại phát hiện bao gồm một
khuếch tán dùng ngoài trời trong đó có một liên kết ký sinh nút điện dung, một transistor
reset để nạp điện dung nút và một transistor đầu ra hoạt động theo cảm biến điện áp trên
các nút (hình 1.8a). Pixel readout đòi hỏi rằng nút đầu ra điện dung tính trước đến một
"thiết lập lại" (Vrd) bởi transistor thiết lập lại "bật" và "tắt" với một xung thiết lập lại
(∅r) như minh họa trong hình 2.8b. Tín hiệu nạp từ cổng cuối cùng của thanh ghi readout
serial (Vg) được chuyển vào nút kết quả đầu ra. Các transistor đầu ra sẽ xuất hiện một
tín hiệu đầu ra video (Vos). Để loại bỏ nhiễu tại readout, có một kỹ thuật được gọi là hủy
tương quan lấy mẫu đôi (CDS). CDS lấy hai mẫu đầu ra CCD, một trước (S1), và một
25
Copyright: Tài liệu đại học ©