小型無(wú)線視頻傳感器設(shè)計(jì)

前言

單片無(wú)線電技術(shù)的飛速發(fā)展，小型CMOS圖像傳感器和數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)的改進(jìn)，造就了新一代無(wú)線圖像傳感器，即一種小型化(體積不足一立方寸)、自主的、高集成的成像器一種能高效，經(jīng)濟(jì)地感知環(huán)境，無(wú)線遙測(cè)圖像的傳感器。本文介紹的分布無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)用的成像器，可廣泛地應(yīng)用于視頻監(jiān)控，醫(yī)學(xué)與化學(xué)分析，貨物跟蹤以及倉(cāng)庫(kù)控制等領(lǐng)域。
 
　　圖像傳感器

市場(chǎng)上已有多種CCD與CMOS成像器和集成小型攝像機(jī)。雖然CCD有較高的信噪比，良好的圖像質(zhì)量，但CMOS有可能SoC集成，工作電流小，是一種低成本，低功耗器件，非常適合無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。典型的圖像SoC包括像素陣列，定時(shí)電路，模擬調(diào)理電路，A/D、DSP與數(shù)字接口電路。片上DSP主要用于圖像壓縮，如JPEG，同時(shí)亦具備實(shí)時(shí)與運(yùn)動(dòng)圖像的能力。DSP還可以對(duì)圖像流數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

本文使用的MT9D111是一個(gè)商品化、高品質(zhì)JPEG成像器，它的主要特性如表1所示。該款產(chǎn)品是以Digitalclanity技術(shù)為特色，不但把2百萬(wàn)像素傳感器內(nèi)核和新一代圖像處理器集成在一塊單片電路上，而且能耗極低。雖然它的像素只有2.8mm見(jiàn)方，但內(nèi)部處理器可以執(zhí)行一系列修正和增強(qiáng)功能，如整體復(fù)位、像素整合、色彩的還原與修正、銳化、gamma修正以及自動(dòng)暗電流偏移修正、曝光、白平衡、透鏡暗電流修正和防閃光等，突破了像素越小，高品質(zhì)成像效果越難實(shí)現(xiàn)的難題。
  
　　天線

對(duì)無(wú)線傳感器來(lái)說(shuō)，天線是一個(gè)重要部件，設(shè)計(jì)一種小型化(其幾何尺寸僅為波長(zhǎng)的十分之一)而又有較高輻射效率的天線無(wú)疑是一個(gè)十分棘手的事。大家知道，常用的430MHz ISM頻段的波長(zhǎng)為700mm，920MHz時(shí)，波長(zhǎng)為300mm，只有到2.4GHz，波長(zhǎng)才會(huì)減少到合適程度。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，天線是一個(gè)L、C并聯(lián)諧振回路，電感用作輻射元件，諧振回路有一空損耗的，一般用Q=ωoL/R來(lái)表示，無(wú)線的有荷Q值在10~40之間。因此，電感線圈等效電路用一個(gè)純電感L與損耗電阻R和輻射電阻Rrad串聯(lián)來(lái)表示，Rrad近似地為：

Rrad≈20×(2π/λ)4×(NA)2

式中，λ為波長(zhǎng)，A為線圈的面積，N為圈數(shù)。

設(shè)計(jì)一個(gè)小型化天線應(yīng)考慮如下因素：

·天線必須工作在或接近諧振頻率，否則會(huì)大幅度降低效率。

·輻射效率與天線面積成平方關(guān)系。

·為了降低天線阻擾，應(yīng)設(shè)置阻抗變換或匹配電路。

小型天線多采用變形的半波偶極天線，常見(jiàn)的有F形天線和環(huán)形天線。天線可直接印制在電路板上，也有現(xiàn)成的片式介質(zhì)天線(2mm×5mm)，主要用于頻率高于2.5GHz場(chǎng)合。以圖1的環(huán)形天線為例，在900GHz時(shí)，5mm見(jiàn)方天線的增益約為-20dBm，可見(jiàn)輻射效率僅為1%，也就是說(shuō)，1mw功率僅能產(chǎn)生-20dBm的輻射功率。隨著頻率的提高，波長(zhǎng)自然縮短，天線的尺寸問(wèn)題容易解決。如對(duì)Fr-4電路板，εr約為4.5，2.5GHz半波偶極天線的印制線長(zhǎng)度為30mm。

片上收發(fā)器

片上集成無(wú)線電技術(shù)進(jìn)展神速。多家公司，如Micrel、Atmel、Motorola、Chipcon、Microchip、Nordic等都已有了標(biāo)準(zhǔn)的解決方案。最佳方案是已內(nèi)置處理器/控制器和調(diào)制解調(diào)器，以解決較復(fù)雜的編程、網(wǎng)絡(luò)化和控制問(wèn)題。這類器件使用CMOS或BiCMOS(0.18m~0.25m)工藝。

無(wú)線收發(fā)器的方框圖如圖2所示，它采用晶體驅(qū)動(dòng)的PLL來(lái)產(chǎn)生TX或RX用的RF信號(hào)。輸出功率較大時(shí)可增加PA級(jí)，這時(shí)應(yīng)啟用功率控制和無(wú)線接口。多數(shù)器件使用ASK(開-關(guān))調(diào)制或FSK(GMSK)調(diào)制，速率在10~1000kb/s。這類器件幾乎都是軟件產(chǎn)品，僅需少量外部元件。

器件的發(fā)射電流在10~25mA (900~2500MHz頻段)，接收電流在10~20mA范圍，晶振電流約為200mA。輸出電流在低于1GHz可達(dá)10dBm，高頻帶時(shí)降為0dBm。

發(fā)射器鏈?zhǔn)褂肞LL來(lái)產(chǎn)生所需的RF信號(hào)，允許快速的跳頻，進(jìn)行信號(hào)調(diào)制。由于PLL是寬帶的，很難實(shí)現(xiàn)VCO的直接調(diào)制，有兩種可行的解決方案。第一種是間歇性調(diào)制，由于多數(shù)發(fā)射是短數(shù)據(jù)包，在發(fā)射期間可切斷環(huán)路，進(jìn)行VCO直接調(diào)制，但因開環(huán)期間載波會(huì)漂移，因而必須將漂移控制在允許的范圍內(nèi)。第二種是使用環(huán)內(nèi)結(jié)合環(huán)外更復(fù)雜的設(shè)計(jì)。

在接收方式，使用同一個(gè)PLL將信號(hào)下變頻至1MHz基帶，基帶信號(hào)由數(shù)字調(diào)制解調(diào)器處理。這種無(wú)線電通常適用300MHz~1000MHz ISM頻段。

在收發(fā)器中，VCO是一個(gè)重要部件，圖2的L1與L2是連接外部電感線圈的端口。在FM—FSK或PSK調(diào)制場(chǎng)合，相位噪聲要求諧振器的Q值至少應(yīng)大于10。而環(huán)形線圈振蕩器的低Q值，使相位噪聲性能較差，在900MHz時(shí)，對(duì)100KHz偏移值，典型的相位噪聲值僅限于-85dBc/Hz。L、C振蕩器能改善15-20dB。在發(fā)射功率有限時(shí)，VCD電感也可用作無(wú)線。
  
　　電源

目前，對(duì)無(wú)線視頻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，電源是還待解決的難題。最佳的候選是鋰電池，一個(gè)1寸長(zhǎng)、15mm直徑的電池(例如標(biāo)準(zhǔn)的CR2型)產(chǎn)生3V電壓，近1000mAh容量。絕大多數(shù)用戶希望傳感器網(wǎng)絡(luò)能工作幾年而不必更換電池，這就得使用體積更大的堿性或鋅-空氣電池，更先進(jìn)的生物電池尚在研制中。
  
　　結(jié)語(yǔ)

為了提高生產(chǎn)力、增加保密性，無(wú)線傳感器技術(shù)和產(chǎn)品具有極大的發(fā)展?jié)摿�。低成本和小型化圖像傳感器也是可行的，有實(shí)際使用價(jià)值。對(duì)多種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，“視覺(jué)”是十分渴望的“感覺(jué)器官”，能廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)、廠房和倉(cāng)庫(kù)等處。