導讀

本期機器視覺應用案例從相機開始，先聊一聊經常談到的CCD 相機與CMOS 相機，然后跟大家分享研華3.5”單板電腦MIO-5375在CCD 機器視覺檢測中的實際應用。

CCD VS CMOS 成像原理

CCD全稱“Charge-coupled Device”，電荷耦合元件，需要外加電壓輸出電荷信息。CMOS全稱“Compementary Metal Oxide Semiconductor”，互補金屬氧化物半導體，生成電荷自動輸出。

CCD與CMOS都是利用感光二極管進行光電轉換，但是成像原理卻各不相同。CCD傳感器中每一行中每一個像素的電荷數(shù)據(jù)都會依次傳送到下一個像素中，由最低端部分輸出，再經由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出。而CMOS傳感器中，每個像素都緊接一個放大器和A/D轉換電路，層層轉換然后放大輸出。由于成像原理的不同，CCD與CMOS在如下幾個方面有著明顯差異。

1 分辨率與靈敏度

CMOS的單個像素單元包含了四個晶體管與感光二極管，其中包含了放大器和A/D轉換器，使得每個像素的感光區(qū)域遠小于像素本身；而CCD的成像單元只包含了感光元器件，因此在像素尺寸相同情況下靈敏度更高。同理，在相同尺寸的傳感器時，CCD的分辨率往往要優(yōu)于CMOS。

2 噪聲差異

CCD是電荷逐級傳遞的成像設計，各個像素匯聚至邊緣再進行放大處理，可以保證數(shù)據(jù)在傳送時不會出現(xiàn)失真，且只有一次放大，噪聲?。欢鳦MOS成像的數(shù)據(jù)是每個像素數(shù)據(jù)單獨放大，會產生疊加噪聲，影響成像質量。

3 集成性與成本

CMOS傳感器現(xiàn)有的大規(guī)模集成電路生產工藝相同，從而生產成本可以降低，同時可以將周邊電路，如ADC，DSP等必需電路集成到傳感器芯片中，節(jié)省外圍電路成本且集成性高。而CCD制造難度高，少數(shù)廠家掌握生產技術，成本高居不下，并且CCD采用電荷傳遞的方式傳遞數(shù)據(jù)，只要其中一個像素不能運行，會導致整排的數(shù)據(jù)無法傳送，因此控制CCD傳感器的成品率成本比CMOS高很多，且大多數(shù)CCD產品在半年內良率往往都低于50%。

4 功耗差異

CMOS 屬于被動采集，感光二極管產生的電荷會直接從晶體管放大輸出，3.3V即可運行；但是CCD 傳感器屬于被動式采集，需要額外加壓使得每個電荷移動，驅動電壓需要12-18V，功耗相對較高。

通過以上對比，我們知道CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、高集成性的特點，所以諸如手機、相機、電腦等小型移動式設備考慮到經濟性與功耗，會選擇CMOS相機；而在機器視覺等工業(yè)場景中，考慮到成像可靠性與靈敏度，往往都選擇CCD 相機。

CCD機器視覺客戶應用

華南地區(qū)某知名CCD視覺檢測設備制造商，其產品包括CCD視覺檢測, CCD視覺定位, 視覺元器件, 連接器檢測等，廣泛應用于3C電子、連接器、手機、鋰電、FFC、FPC、五金件等行業(yè)，同時為各種工業(yè)應用提供包括視覺檢測、視覺識別、視覺定位等全套的機器視覺解決方案。

客戶的機器視覺控制器的主要需求是多個Intel網口，高實時性控制，以及緊湊的尺寸結構。研華為客戶提供了MIO-5375 3.5”嵌入式單板電腦搭配MIOe-220 3網口擴展卡的解決方案，可以提供5個Intel Lan，以便客戶產品連接多個外部設備。此方案基于Intel 11th Core平臺，可以提供高性能算力，滿足客戶對于實時控制的需求。此外，研華的嵌入式單板產品尺寸緊湊，強固可靠，8K/15K的ESD以及2K EFT 的防護，可以保證嚴苛工廠環(huán)境下的穩(wěn)定運行。

應用結構圖

方案產品特性

MIO-5375 3.5"嵌入單板電腦

● 第11代Intel Core四核/雙核處理器，TDP 15W/28W

● 雙通道DDR4-3200，高達64GB

● 獨立四顯：LVDS/ eDP*, HDMI, DP, USB Type-C

● 豐富I/O：2 GbE, 4 USB3.1, CAN Bus, 12-24V寬壓

● 豐富擴展：M.2 E-Key/B-Key/M-Key(支持NVMe)、MIOe

MIOe-220 網口擴展卡

● 支持3路Intel 千兆網口的擴展

● 符合MI/O-Compact 機構設計標準

● 兼容3.5” MIO 主板

● 支持亮度控制