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将光学鼠标 CMOS 传感器改造成 VGA 视频相机：镜头添加与信号解码

利用光学鼠标低成本 CMOS 传感器，通过添加镜头、SPI 解码与 VGA 输出，实现实时低分辨率视频显示，提供硬件清单与关键参数。

光学鼠标的 CMOS 传感器本质上是一个小型图像采集芯片，原设计用于捕捉桌面纹理变化计算位移，但其核心是低分辨率 CMOS 阵列，能以高帧率输出原始像素数据。通过添加合适镜头、解码传感器串行信号，并结合微控制器生成 VGA 输出，即可将其转化为功能性视频相机。这种改造充分利用闲置硬件，实现成本低于 50 元的 VGA 实时显示设备，适用于嵌入式监控、艺术装置或教育演示。

改造的核心观点在于：鼠标传感器虽分辨率仅 30x30 像素（约 900 像素），但帧率可达数千 FPS，远超许多廉价摄像头；其 SPI 接口暴露像素缓冲区，便于直接读取灰度帧。证据来自多个 DIY 项目，如 Reddit 用户 Dycus 使用 ADNS-3090 传感器构建的复古相机，支持连拍与全景拼接；spritesmods.com 经典 hack 展示 ADNS-2610/5020 的像素读取协议。这些项目证实，传感器输出 8 位灰度值阵列，经简单处理即可可视化。

硬件准备清单：

  1. 传感器模块：拆解 Logitech 或兼容鼠标，提取 ADNS-30xx/50xx 系列芯片（如 ADNS-3090，30x30 阵列）。保留原 IR LED（850nm 波长，避免可见光干扰），或替换为白光 LED 提升成像质量。
  2. 镜头添加：原鼠标镜头焦距约 5-10mm，用于微距。将之替换为 f=4-8mm 凸透镜（淘宝 5 元），固定于传感器前方 2-5mm，确保景深覆盖 10-50cm。参数：孔径 f/2.8，光圈手动用黑纸遮挡控制曝光。
  3. 微控制器：STM32F103 或 Arduino Uno（SPI 高速读取）。连接：传感器 NCS→MCU Pin10, SCLK→Pin13, DOUT→Pin12, +5V/GND 直连。添加 10kΩ 上拉电阻于 NRST。
  4. VGA 输出：使用 CH7033B VGA 芯片或 FPGA（如 ICE40），输入 MCU 串口帧数据。备选：R-2R DAC 电阻网络（74HC595 移位寄存器驱动），生成 640x480@60Hz VGA（ upscale 30x30 帧至全屏）。
  5. 电源与外壳：5V/1A USB 供电，3D 打印壳体固定镜头（STL 文件开源）。

信号解码流程： 传感器通过 SPI 寄存器访问像素。初始化序列（伪码）：

SPI_write(0x00, 0x01); // Power up
SPI_write(0x07, 0x80); // Frame capture
delay_ms(1);
for(y=0; y<30; y++) {
  for(x=0; x<30; x++) {
    pixel[y][x] = SPI_read_reg(0x7F + y*30 + x); // 逐像素读缓冲，8-bit 灰度 0-255
  }
}

证据：ADNS 数据手册（Avago/PixArt）指定寄存器 0x7F 起为帧缓冲。帧率参数：ROSC 电阻 10kΩ 设为 2000 FPS，曝光时间寄存器 0x25=0x80（自动增益 AGC）。风险：过曝导致饱和，用寄存器 0x24 设 LED 电流 20mA。

实时 VGA 实现： MCU 以 60Hz 刷新率读取帧（每帧 900 字节，SPI 10MHz 速率下 <1ms）。Upscale：双线性插值扩展至 640x480，每像素重复 21x16 次。VGA 时序：HSYNC 31.77kHz，VSYNC 60Hz，RGB 各 8-bit。参数清单：

  • 像素时钟：25.175 MHz
  • 可见区：640x480
  • 总线宽：800x525
  • DAC 参考电压：3.3V，R-2R 精度 1% 同步监控：用示波器捕获 SPI MOSI/MISO，帧质量寄存器 0x06 >80（低则调整表面纹理或 LED 强度）。回滚策略：若帧丢失 > 10%，降帧率至 30Hz。

优化落地：

  • 曝光控制：手动寄存器 0x25=0x40-0xC0，结合 AGC（寄存器 0x27）。
  • 噪声抑制：中值滤波 3x3 核，阈值 0x20 去黑电平。
  • 显示增强：伪彩色映射（灰度→RGB），对比度拉伸 (min-max 归一)。 测试参数：景深 20cm，帧率 120 FPS，功耗 <500mW。实际输出如 Game Boy 风格复古视频，适合近距离物体追踪。

此改造不只趣味，还展示嵌入式图像处理的精髓：低资源下榨取硬件潜力。

资料来源：

  • Dycus Reddit 项目：ADNS-3090 相机原型。
  • spritesmods.com：传感器 hack 协议。
  • PixArt/Avago ADNS 数据手册：SPI 寄存器细节。
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