如何實現小型無線視頻傳感器的設計

隨著單片機技術的迅速發展，小型CMOS圖像傳感器和數字攝像技術的不斷改進，造就了新一代無線圖像傳感器，這是一種小型化（體積不到一立方寸）、高度集成的自主成像器，它可以有效、經濟地感知環境，實現無線遙測圖像。本論文所設計的用于無線傳感網絡的分布式成像系統，可廣泛應用于視頻監控、醫療和化學分析、貨物跟蹤和倉庫管理等領域。

目前市場上有多種CCD、CMOS成像儀以及集成的小型攝像機。盡管CCD具有較高的信噪比和良好的圖像質量，但CMOS具有SoC集成、低工作電流、低成本、低功耗等優點，非常適合無線網絡應用。圖像采集系統主要包括象素陣列、時序電路、模擬調理電路、A/D、DSP和數字接口電路。片上DSP主要用于圖像壓縮，如JPEG，同時亦具備實時與運動圖像的能力。DSP還可以對圖像流數據進行處理。

本文使用的MT9D111是一個商品化、高品質JPEG成像器，它的主要特性如表1所示。該款產品是以Digitalclanity技術為特色，不但把2百萬像素傳感器內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見方，但內部處理器可以執行一系列修正和增強功能，如整體復位、像素整合、色彩的還原與修正、銳化、gamma修正以及自動暗電流偏移修正、曝光、白平衡、透鏡暗電流修正和防閃光等，突破了像素越小，高品質成像效果越難實現的難題。

對無線傳感器來說，天線是一個重要部件，設計一種小型化（其幾何尺寸僅為波長的十分之一）而又有較高輻射效率的天線無疑是一個十分棘手的事。大家知道，常用的430MHzISM頻段的波長為700mm，920MHz時，波長為300mm，只有到2.4GHz，波長才會減少到合適程度。

簡單地說，天線是一個L、C并聯諧振回路，電感用作輻射元件，諧振回路有一空損耗的，一般用Q=ωoL/R來表示，無線的有荷Q值在10~40之間。因此，電感線圈等效電路用一個純電感L與損耗電阻R和輻射電阻Rrad串聯來表示，Rrad近似地為：Rrad≈20×（2π/λ）4×（NA）2，式中，λ為波長，A為線圈的面積，N為圈數。設計一個小型化天線應考慮如下因素：

·天線必須工作在或接近諧振頻率，否則會大幅度降低效率。

·輻射效率與天線面積成平方關系。

·為了降低天線阻擾，應設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，常見的有F形天線和環形天線。天線可直接印制在電路板上，也有現成的片式介質天線（2mm×5mm），主要用于頻率高于2.5GHz場合。以圖1的環形天線為例，在900GHz時，5mm見方天線的增益約為-20dBm，可見輻射效率僅為1%，也就是說，1mw功率僅能產生-20dBm的輻射功率。隨著頻率的提高，波長自然縮短，天線的尺寸問題容易解決。如對Fr-4電路板，εr約為4.5，2.5GHz半波偶極天線的印制線長度為30mm。

片上集成無線電技術進展神速。多家公司，如Micrel、Atmel、Motorola、Chipcon、Microchip、Nordic等都已有了標準的解決方案。最佳方案是已內置處理器/控制器和調制解調器，以解決較復雜的編程、網絡化和控制問題。這類器件使用CMOS或BiCMOS（0.18m~0.25m）工藝。

無線收發器的方框圖如圖2所示，它采用晶體驅動的PLL來產生TX或RX用的RF信號。輸出功率較大時可增加PA級，這時應啟用功率控制和無線接口。多數器件使用ASK（開-關）調制或FSK（GMSK）調制，速率在10~1000kb/s。這類器件幾乎都是軟件產品，僅需少量外部元件。

器件的發射電流在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10dBm，高頻帶時降為0dBm。

發射器鏈使用PLL來產生所需的RF信號，允許快速的跳頻，進行信號調制。由于PLL是寬帶的，很難實現VCO的直接調制，有兩種可行的解決方案。第一種是間歇性調制，由于多數發射是短數據包，在發射期間可切斷環路，進行VCO直接調制，但因開環期間載波會漂移，因而必須將漂移控制在允許的范圍內。第二種是使用環內結合環外更復雜的設計。

在接收方式，使用同一個PLL將信號下變頻至1MHz基帶，基帶信號由數字調制解調器處理。這種無線電通常適用300MHz~1000MHzISM頻段。

在收發器中，VCO是一個重要部件，圖2的L1與L2是連接外部電感線圈的端口。在FM—FSK或PSK調制場合，相位噪聲要求諧振器的Q值至少應大于10。而環形線圈振蕩器的低Q值，使相位噪聲性能較差，在900MHz時，對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。在發射功率有限時，VCD電感也可用作無線。

目前，對無線視頻網絡節點來說，電源是還待解決的難題。最佳的候選是鋰電池，一個1寸長、15mm直徑的電池（例如標準的CR2型）產生3V電壓，近1000mAh容量。絕大多數用戶希望傳感器網絡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，更先進的生物電池尚在研制中。

結語

為了提高生產力、增加保密性，無線傳感器技術和產品具有極大的發展潛力。低成本和小型化圖像傳感器也是可行的，有實際使用價值。對多種應用來說，“視覺”是十分渴望的“感覺器官”，能廣泛應用于戰場、廠房和倉庫等處。作為一種新生的半導體器件，CMOS以其自身的特點表現出了極大的優勢和潛力，這種潛力將在不久的未來進一步得到發揮。