单反相机传感器调研报告

应用背景：

单反相机，即单镜头反光相机的简称，单反相机优异的成像取得了广大消费者的青睐，近年来，低价位，高性能的单反相机比比皆是，其中，佳能、尼康、索尼等日系品牌占据了全世界的单反市场的大半壁江山，而数码单反相机不可比拟的成像优越性一击打败了老式的胶卷，宝丽来、柯达胶卷曾经风靡全球，可如今早已宣布破产，其中对其打击最大的莫过于新型光电传感器的应用，下面，我将单反相机所用光电传感器以及其遥控所用红外遥控传感器做出简单介绍。

一、CCD传感器

1、从感光胶卷到CCD成像

     胶卷又名底片，菲林，现今广泛应用的胶卷是将卤化银涂抹在聚乙酸酯片基上，此种底片为软性，卷成整卷方便使用。当有光线照射到卤化银上时，卤化银转变为黑色的银，经显影工艺后固定于片基，成为我们常见到黑白负片。彩色负片则涂抹了三层卤化银以表现三原色。除了负片之外还有正片及一次成像底片等等。然而由于复杂的冲洗程序，昂贵的胶卷投资，使得大多数摄影爱好者都是可望而不可及，而数码光电传感器CCD的出现却扭转了该局面。

CCD，英文全称：Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件。可以称为CCD图像传感器。CCD是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。 CCD上植入的微小光敏物质称作像素（Pixel）。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。CCD的作用就像胶片一样，但它是把光信号转换成电荷信号。CCD上有许多排列整齐的光电二极管，能感应光线，并将光信号转变成电信号，经外部采样放大及模数转换电路转换成数字图像信号。CCD的出现使得相机在一夜之间变得亲民起来，如今已经是人人拥有，人人拍的起的时代，CCD为单反相机的普及做出了重要铺垫，其连续的感光度使得胶卷望其项背，而其成本低廉，一块CCD几乎可以陪伴一台单反相机使用到老，其高像素以及分辨能力更是人们选择他的终极目标。由于CCD特有的工艺，具有低照度效果好、信噪比高、通透感强、色彩还原能力佳等优点，在交通、医疗等高端领域中广泛应用。

2、CCD工作原理

（1）电荷存贮

 

                                    图1

    在栅极未施加电压时，P型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）；栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层；电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度极高）；反型层形成时的外加电压称为阈值电压；MOS电容的衬底材料由P型换成N型，偏置电压也反号，则反型层为空穴；深度耗尽状态，CCD工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即形成）

（2）电荷耦合

                                            图2

1势阱产生>势阱合并>电荷转移>电荷共有>电荷转移>势阱及电荷转移一个位置。

2电荷包的转移是由势阱的不对称和势阱耦合引起的电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另一个势阱；CCD电极间的距离必须很小,才能保证电荷的转移。

（3） 电荷的注入和检测

     光注入：当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子-空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分为正面照射式及背面照射式。CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。光注入的电荷量Neo与入射的光谱辐射通量成线性关系：

（4）电荷的检测（输出方式）

                   图3

1CR2下的势阱>输出栅下的势阱>反向偏置二极管（相对于深势阱）>产生电流Id-Qs＝Id dt

2Id使得A点的电位变化，反应注入到二极管电荷量的大小；通过隔直电容检测出A点的电位变化，就可以检测出电荷量的大小

3、成像原理

    在Φ1下的耗尽区内由于光学的本征激发产生电子空穴对，（光）电子将作为少数载流子在Φ1势阱之中。光束是通过透明电极或电极之间进入半导体的，所激发出来的光电子数与光强有关，也与积分时间长短有关。于是光强分布图就变成CCD势阱中光电子电荷量分布图。积分完毕后，电极上的电压变成三相重叠的快速脉冲，把电荷包依次从输出端读出。

                          图4：单反相机所用CCD

图5

（1）面阵CCD摄像器件 分成三个区域：成像区、存贮区和读出移位寄存区。

（2） 每读出一行以后，存贮区再转移一行。如此重复，直到全部像素被输出。在存贮区信号逐行输出的同时，成像区中另一电极正处于合适电压，对光强进行积分，这样隔行成像分辨率高。

                       图6

4、传感器检测信息与控制系统相互关联

                   图7

     用相机拍摄景物时，景物反射的光线通过相机的镜头透射到快门后面的感光板CCD上，当CCD曝光后，光电二极管受到光线的激发释放出电荷，感光元件的电信号便由此产生，CCD控制芯片利用感光元件中的控制信号线路对光电二极管产生的电流进行控制，由电流传输电路输出，CCD会将一次成像产生的电信号收集起来，统一输出到放大器，经过放大和滤波后的电信号被送到A/D数模转换器，由A/D将电信号转换为数字信号，数值的大小和电信号的强度即电压的高低成正比。这些数值其实就是图像的数据了，不过单依靠这样所得到的图像数据还不能直接生成图像，还要输出到数字信号处理器（DSP）。在DSP中，这些图像数据被进行色彩校正、白平衡处理等后期处理，编码为相机所支持的图像格式、分辨率等数据格式，然后才会被存储为图像文件，最后，图像文件就被写入到存储器上。

二、红外线遥控器

1、红外遥控运用状况

     红外遥控是一种无线、非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，被诸多电子设备特别是家用电器广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。由于红外线遥控不具有像无线电遥控那样穿过障碍物去控制被控对象的能力，所以，在设计家用电器的红外线遥控器时，不必要像无线电遥控器那样，每套发射器和接收器要有不同的遥控频率或编码，否则，就会隔墙控制或干扰邻居的家用电器。所以同类产品的红外线遥控器，可以有相同的遥控频率或编码，而不会出现遥控信号“串门”的情况。这对于大批量生产以及在家用电器上普及红外线遥控提供了极大的方便。由于红外线为不可见光，因此对环境影响很小，再由红外光波动波长远小于无线电波的波长，所以红外线遥控不会影响其他家用电器，也不会影响临近的无线电设备。

2、相机所用红外遥控器

图8

                        图9

3、红外遥控工作原理

    红外线遥控器的原理就是通过遥控器里的红外发射管把信号换成不可见的红外线发出去，然后被遥控的物体接里的红外线接收头接收到红外线后转换成控制信号，然后控制信号就能控制物体了。下面根据ITT协议介绍其工作过程。

（1）ITT协议

     ITT 红外协议是很早出现的协议，它不使用调制信号直接发送是区别于其他协议的重要特点。每个信号都是由14个10us时间间隔的脉冲信号组成来发送，解码则是根据脉冲的间隔进行。这个协议非常实用，并耗能很低，大大提高了电池寿命。

    一个红外信号通过14个脉冲发送，每个脉冲都是10us长。通常使用三个不同的时间间隔去区分一个信号：100us表示逻辑0；200us表示逻辑1；300us则表示起始条件脉冲（lead-in）和结束条件脉冲（lead-out）（请参阅下图）

                              图10

    Preliminary（我们记作预备脉冲）脉冲信号被接收头用作设置内部放大器的增益参数。当开始脉冲（Start）发送后，紧接着的300us时长的起始条件脉冲（lead-in），被发送的第一位总是100us时长的逻辑0，而开始位（Start）可以用于校正接收头的时间参数。开始位发送完毕便是信号的高4位有效地址位（Adress bits），接着是高6位有效位的命令位和结尾位（Control bits）。最后发送的是另一个300us时长用作结束条件的脉冲（lead-out）。其解码软件简单，很容易就能从接受的信号里检测出有效的信息。结束条件脉冲（lead-out）的时间间隔应该大于开始位（Start）间隔（100us）的3倍。每位脉冲时间不能超出逻辑0时间的20%，或者是逻辑1的40%。接收部分在接收最后的脉冲信号360us后，应软件设置不再等待信号（即进入待机状态）。正如发送被中断或者没有信号发送时，就不需要继续等待了。预备脉冲信号仅用于AGC目的，一些接收解码软件可能忽略这些脉冲信号，这时解码需要从开始脉冲（Start）算起。

（2）地址和命令

    一个控制信息被分为两组，4位地址位和6位命令位，地址范围从1到16（2^4），而命令范围为1到64（2^6）。地址位和命令位发送时，习惯上是从0的下标开始（0到15和0到63）。

    地址总是成双数使用，如数值从1到8（实际上时0到7）。较低地址值在第一次按键时发送。直到按键松开，后续信号的地址值都是开始地址值的反相值。这样接收部分便会合理地处理重复的地址码。当一直按下按键时，信号将每130ms重复发送一次。

4、传感器检测信息与控制系统相互关联

     红外遥控的发射电路是采用红外发光二极管来发出经过调制的红外光波；红外接收电路由红外接收二极管、三极管或硅光电池组成，它们将红外发射器发射的红外光转换为相应的电信号，再送后置放大器，发射机一般由指令键、指令编码系统、调制电路、驱动电路、发射电路等几部分组成。当按下指令键或推动操作杆时，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。接收电路一般由接收电路、放大电路、调制电路、指令译码电路、驱动电路、执行电路等几部分组成。接收电路将发射器发出的已调制的编码指令信号接收下来，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。指令译码器将编码指令信号进行译码，最后由驱动电路来驱动执行电路实现各种指令的操作控制。

三、总结

    通过本次对单反相机所用传感器的调研我认识到了传感器在我我们生活中的应用是非常广泛的，我也从完成调研报告的过程中学会了发现问题以及解决问题的方法，在互联网如此发达的今天，我们应该好好利用他的学习资源，努力学习科学文化知识，争取在以后的工作中能够更加得心应手。

第二篇：传感器网络调研报告

传感器网络调研报告

无线传感器网络系统的基本架构包括三部分，第一部分是无线收发芯片，其职责是将数字信息转换为高频无线信号传送出去和将接收到的高频无线信号恢复成数字信息。随着技术不断发展，已经有越来越多的公司，将无线收发器芯片和微控制器和无线收发器做成了一个片上系统（SoC），无线传感器网络构架第二部分是运行于单片机或者无线单片机内部的嵌入式软件，也称软件协议栈（network stack），网络堆栈有两个职责。首先它必须要处理节点间的无线链接通信质量的频繁变化和环境因数对无线通讯造成的干扰，具有对网络自组织，自恢复的能力；网络堆栈的第二个职能是要具有很强的路由算法能力，确保信息可靠高效地通过各种网络拓扑（星状/网状等等）从源节点（如果现有，可以通过成百上千路由节点）发送到目标节点。确保通讯的实时性要求。ZigBee联盟是由众多技术供应商和开发商组成的独立标准组织。也是目前世界是最大的，基于IEEE 802.15.4平台的网络软件协议栈标准提供联盟。该组织从ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007不断发展，目前提供的两个网络栈是：ZigBee和ZigBee PRO。从使用角度看ZigBee堆栈很适合一般包含十到几百个节点的小型网络。而ZigBee PRO是ZigBee超集，它增加了一些功能，可对网络进行扩展并更好地应对来自其他技术的无线干扰，而且可以适应更大型的网络和具有更加可靠的路由通讯算法和无线通讯可靠性。无线传感器网络构架第三部分应用软件，这部分包括各种根据用户现有开发的软件代码，这些代码目前大部分是采用C

语言来进行开发，可以之间以接口和API方式，调用软件协议栈的功能。在多种无线传感器网络技术中，我们认为采用802.15.4国际标准和ZigBee技术，作为我们设计无线传感器系统的起步，有如下优点：

1、兼容一个全球化的可靠的国际标准。

2、可以通过TI、 Freescale这样的大型芯片供应商。获得稳定的无线收发芯片和无线单片机来源，也可以获得免费的ZigBee协议栈和相关源代码，降低开放门槛。

3、能够采用KEIL和IAR这样的高性能软件编译调试环境，可以大大加快开放速度，缩短上市周期。我们进入无线传感器系统设计的难度重心，是尽快掌握无线传感器网络协议栈软件使用，同时尽快进入相关应用软件开发，所以我们需要一套已经完成高频测试的无线节点，网关，路由器和无线模块来进行硬件评估和运行我们的嵌入式应用软件和协议栈软件。

我们需要相关温度，压力，加速度，光线，湿度等传感器接口到这个系统，方便我们系统设计。无线传感器网络由许多个功能相同或不同的无线传感器节点组成。每个传感器节点由数据采集模块(传感器、A/D转换器)、数据处理和控制模块(微处理器、存储器)、通信模块(无线收发器)以及供电模块(电池、DC/DC能量转换器)等组成。节点在网络中可以充当数据采集着、数据中转站或着簇头节点(cluster-head node)的角色。作为数据采集者，数据采集模块收集周围环境的数据(如温度和湿度)，通过通信路由协议直接或间接将数据传输给远方基

站(base station)或汇节点(sink node);作为数据中转站，节点除了完成采集任务外，还要接收邻居节点的数据，将其转发给距离基站更近的邻居节点或者直接转发到基站或汇节点;作为簇头节点，节点负责收集该类内所有节点采集的数据，经数据融合后，发送到基站或汇节点。

传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。