模擬電路部分的電路圖

2.4、主控電路部分

主控電路部分

主控電路板包括一個(gè)微處理器（MCU），一個(gè)可編程邏輯器件（PLD）和電源部分。微處理器的芯片是一個(gè)NXP的LPC2368，它集成了一個(gè)在72MHZ下工作的ARM7TDMI核心，512K字節(jié)內(nèi)存，32K+16K+8K字節(jié)的SRAM，還有給力的外圍設(shè)備。它可以通過(guò)一個(gè)集成的SD卡控制器在4位原生模式下控制外置的MicroSD存儲(chǔ)卡。LPC系列的ARM微處理器廣泛用在現(xiàn)在的電子制作中，因?yàn)樗氖袌?chǎng)政策很對(duì)路，物美價(jià)廉。

一個(gè)可編程邏輯器件（LC4256V）被用來(lái)驅(qū)動(dòng)CCD線性傳感器。PLD里配置了一個(gè)用來(lái)給傳感器提供時(shí)鐘的時(shí)鐘產(chǎn)生器和一個(gè)先入先出隊(duì)列。電源供應(yīng)部分提供了數(shù)字電源（3.3V）。和模擬部分的電源（12V）。

主控電路部分電路圖

2.5、顯示電路部分

顯示部分電路安裝在盒子的背面，它提供了相機(jī)的操作界面。上面的器件包括一個(gè)OLED顯示屏，開關(guān)。五向鍵和一個(gè)MicroSD插槽。打開盒蓋就能安裝或者移除SD卡。

顯示電路部分的電路圖

自己動(dòng)手做數(shù)碼相機(jī)

鏡頭接口視圖

3、軟件構(gòu)成

3.1、數(shù)據(jù)處理

AD轉(zhuǎn)換器的像素采集率可以高達(dá)2.1M像素每秒。首先，圖像數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在微處理器的緩沖存儲(chǔ)器里。因?yàn)槊棵?.1M的數(shù)據(jù)量對(duì)軟件來(lái)說(shuō)實(shí)在太過(guò)分，圖像數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)到PLD的先進(jìn)先出隊(duì)列里。隊(duì)列半滿時(shí)觸發(fā)微處理器的DRDT中斷，然后微處理器一次接受一半隊(duì)列的數(shù)據(jù)。隊(duì)列的大小是16字節(jié)，也就是說(shuō)軟件的操作周期只要有像素采集率的1/8就足夠。這對(duì)觸發(fā)中斷來(lái)說(shuō)不算太快，但是仍然需要微處理器高速運(yùn)行。這個(gè)項(xiàng)目里用了ARM7TDMI核心的快速中斷請(qǐng)求功能（FIQ，fast interrpt request，通過(guò)編組寄存器產(chǎn)生低延遲中斷），可惜在Cortex-M3核心中這一功能被去掉了。

當(dāng)微處理器響應(yīng)FIQ請(qǐng)求時(shí)，一些寄存器切換到FIQ的編組寄存器狀態(tài)，然后FIQ例程可以直接進(jìn)入/離開而省去了切換過(guò)程。為了最大化執(zhí)行效率，一般來(lái)說(shuō)FIQ例程是用匯編語(yǔ)言寫的。在啟用這一功能的數(shù)據(jù)波形圖里，可以觀察到8位的數(shù)據(jù)在不用存儲(chǔ)的時(shí)候只需要0.8微秒處理，加上DMA模式下從總線寫入SD卡也只用了2微秒，這樣的延遲可以接受。

在每一行數(shù)據(jù)中有1094個(gè)像素，但其中有效的只有1024個(gè)。這些數(shù)據(jù)被存入內(nèi)存，中斷信號(hào)SYNC#在每一行數(shù)據(jù)的開始輸出，用來(lái)同步第一個(gè)像素的數(shù)據(jù)。

3.2、重建圖像

捕捉到的數(shù)據(jù)可以用通用的8位灰度BMP位圖格式存儲(chǔ)在MicroSD卡里，寬1024像素，長(zhǎng)視拍攝時(shí)間而定。存儲(chǔ)的格式是DCIMLCAMYnnnn.BMP（nnnn是編號(hào)），和普通的數(shù)碼相機(jī)幾乎一樣。

在使用廉價(jià)的微處理器將圖像數(shù)據(jù)存入SD卡時(shí)會(huì)遇到一些困難，主要是輸入的數(shù)據(jù)要在極短的時(shí)間內(nèi)存進(jìn)文件。這個(gè)制作中的最大數(shù)據(jù)傳輸率是2MB每秒。幸運(yùn)的是LPC2368有一個(gè)MCI（SD/MMC卡的原生控制模式），它能提供8MB/s的數(shù)據(jù)讀取和6MB/s的數(shù)據(jù)寫入能力。但是這是指讀寫大文件時(shí)的平均速度，事實(shí)上每次讀寫之間都需要一些死時(shí)間用在SD卡的內(nèi)部處理和文件系統(tǒng)上，為了避免這些浪費(fèi)，一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器被用來(lái)在死時(shí)間中暫存數(shù)據(jù)，但是微處理器系統(tǒng)的內(nèi)存大小是有限的，不一定有足夠的空間進(jìn)行緩沖。

讓我們估計(jì)一下每次寫數(shù)據(jù)操作所能容許的時(shí)間耗費(fèi)。在這個(gè)制作里，所有32K的SRAM都用來(lái)做數(shù)據(jù)緩沖器，而程序在16K的ethernet RAM上運(yùn)行。數(shù)據(jù)緩沖器分成兩半，其中一塊填充數(shù)據(jù)的時(shí)候另一塊將數(shù)據(jù)寫入閃存。這要求在每8毫秒里寫入16KB的數(shù)據(jù)，每次操作必須在下次操作之前完成。接下來(lái)的軟件技巧可以解決這個(gè)問(wèn)題。

數(shù)據(jù)寫入過(guò)程中最重要的延遲發(fā)生在集群分配時(shí)，在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)里這是個(gè)很大的問(wèn)題，集群分配導(dǎo)致的死時(shí)間視情況不同可能高達(dá)數(shù)秒鐘。這個(gè)制作里使用集群預(yù)分配（寫入數(shù)據(jù)時(shí)用f-lseek函數(shù)申請(qǐng)一個(gè)比目前需要大很多的空間）來(lái)避免寫入數(shù)據(jù)時(shí)進(jìn)入分區(qū)表重新定位。每次寫入操作都包含一個(gè)用來(lái)結(jié)束操作的集群邊界條件。想象一下SD卡里的文件預(yù)先整理出一塊整齊的空間給數(shù)據(jù)，這就避免了寫入數(shù)據(jù)過(guò)程中大量導(dǎo)致延遲的未知問(wèn)題。

盡管有這些用來(lái)盡可能減小死時(shí)間的方法，SD卡或多或少還有一些內(nèi)部處理時(shí)間。在挑選SD卡的時(shí)候需要挑寫入速度盡可能快的SD卡。我在許多牌子之間做過(guò)比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)東芝產(chǎn)SD卡有最小的寫入延遲，也有最穩(wěn)定的表現(xiàn)。

3.3、顯示圖像

顯示圖像

由于獲得的圖像數(shù)據(jù)都是一維的線條，它不能像傳統(tǒng)平面成像的二維圖像一樣顯示。為了這個(gè)問(wèn)題需要一些特別的顯示模式。

其中一種是范圍視圖，輸入的圖像信號(hào)連接到Y(jié)軸，就像像示波器的輸入。Y軸信號(hào)表示亮度，X軸信號(hào)表示各點(diǎn)在線性傳感器上的位置。這個(gè)模式適于用來(lái)觀察感光度和聚焦情況。不同點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的差距可以用來(lái)幫助對(duì)焦，當(dāng)圖像聚焦時(shí)，波形圖上產(chǎn)生許多峰谷，出現(xiàn)最大的峰峰值表明焦距已經(jīng)對(duì)上。這是現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)里自動(dòng)對(duì)焦功能的原型。

另外一種是卷動(dòng)視圖，圖像向上卷動(dòng)，新掃描到的圖像出現(xiàn)在屏幕底部。這個(gè)模式能夠用來(lái)調(diào)整線分辨率。最后生成的二維圖像的高寬比決定于線分辨率和物體移動(dòng)的速度。卷動(dòng)視圖能夠展現(xiàn)出捕捉到的2D景象，但是如果被攝物體不移動(dòng)就只剩下水平的線了，所以相機(jī)或者物體之一一定要在給定的運(yùn)動(dòng)速度下拍攝，這樣才能一邊觀察一邊調(diào)節(jié)線分辨率。

4、使用說(shuō)明

線性掃描相機(jī)的一般用途同膠片時(shí)代的狹縫相機(jī)類似。狹縫相機(jī)很容易在性能上擊敗線性掃描相機(jī)，它的感光顆粒直徑14um，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于CCD中單元的直徑，意味著極好的分辨率。但是玩狹縫相機(jī)意味著你要足夠的取景，對(duì)焦，拍攝和沖印能力，非老鳥不能為。

相機(jī)位置

這個(gè)相機(jī)需要被固定在合適的角度，這樣物體所成的像可以掃過(guò)線性傳感器。比如說(shuō)，但物體橫向移動(dòng)或者橫方向特別長(zhǎng)的話，相機(jī)最好固定在線性傳感器處于垂直的位置。這個(gè)角度必須精確，否則拍出的圖片會(huì)出現(xiàn)類似平行四邊形的扭曲。

調(diào)節(jié)焦距

這個(gè)線性掃描相機(jī)由一個(gè)5向搖桿控制（上下左右和中鍵），向右按可以切換顯示模式（范圍模式或者卷動(dòng)模式）。首先，輸入信號(hào)的電平可以通過(guò)光圈或者增益控制（上下點(diǎn)擊）。增益控制也可以通過(guò)左鍵自動(dòng)調(diào)整。接下來(lái)，通過(guò)對(duì)焦環(huán)調(diào)節(jié)焦距直到信號(hào)的峰峰值最大。

調(diào)整傳感器線分辨率

在卷動(dòng)模式下可以調(diào)節(jié)相機(jī)匹配傳感器線分辨率。調(diào)節(jié)直到屏幕上顯示的是正確的高寬比。傳感器線分辨率也可以通過(guò)物體移動(dòng)的速度，物體離鏡頭的距離和焦距來(lái)計(jì)算，這略微有些誤差，但數(shù)字圖片是可以通過(guò)后期處理來(lái)修正的。當(dāng)然如果傳感器線分辨率實(shí)在太低的話，這個(gè)過(guò)程會(huì)損失一些信息。通常來(lái)說(shuō)傳感器線分辨率高不是壞事，就是靈敏度可能低些。傳感器線分辨率影響曝光時(shí)間（靈敏度），所以輸入電平的增益需要和不同的線分辨率匹配。

獲得圖像

中間的按鈕用來(lái)開始/停止拍攝。按下按鈕就可以開始記錄圖像。集群預(yù)分配會(huì)在0.5秒內(nèi)完成，然后暫停直到松開。松開按鈕時(shí)會(huì)開始記圖像錄，然后在任意按鈕按下時(shí)停止或者直到寫入數(shù)據(jù)到達(dá)了集群預(yù)分配區(qū)域的邊界。預(yù)分配的大小被配置到10萬(wàn)行（大約100MB），但是可以根據(jù)拍攝物的尺寸改變。生成的圖像文件可以在電腦上進(jìn)行預(yù)處理，調(diào)節(jié)圖片朝向，高寬比或者做伽瑪校正。

5、實(shí)拍效果展示

實(shí)拍效果圖像

審核編輯黃昊宇