摘 要： 闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征,詳細介紹了CMOS黑白圖像傳感器芯片OV5017的性能與使用特點,討論了OV5017在圖像采集中的應用。
關鍵詞： CMOS圖像傳感器 OV5017 圖像采集
1 CMOS圖像傳感器的一般特征
目前,CCD(電荷耦合器件)是主要的實用化固態圖像傳感器件,它具有讀取噪聲低、動態范圍大、響應靈敏度高等優點。但CCD技術難以與主流的CMOS技術集成于同一芯片之中。這樣,諸如定時產生、驅動放大、自動曝光控制、模數轉換及信號處理等支持電路就不能與像素陣列做在同一芯片上,以CCD為基礎的圖像傳感器難以實現單片一體化,因而具有體積大、功耗高等缺點。
CMOS圖像傳感器是近幾年發展較快的新型圖像傳感器,由于采用了相同的CMOS技術,因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上。實際上,CMOS圖像傳感器是一個較完整的圖像系統(Camera on Chip),通常包含:一個圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、可編程功能和模數轉換器。其基本結構見圖1。與CCD相比,CMOS圖像傳感器將整個圖像系統集成在一塊芯片上,具有以下優點:
(1) 體積小、重量輕、功耗低;
(2) 編程方便、易于控制;
(3) 平均成本低。
2 OV5017的性能與特點
2.1 OV5017的基本性能
OV5017是美國OmniVision公司開發的CMOS黑白圖像傳感器芯片,該芯片將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起,具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能,其輸出的視頻為黑白圖像,與CCIR標準兼容。
OV5017芯片的基本參數為:
(1)圖像尺寸4.2mm×3.2mm,像素尺寸11μm×11μm;
(2)信噪比SNR>42dB;
(3)幀頻50時,最小照度為0.5lux@f1.4;
(4)幀頻50時,峰值功耗小于100mW。
OV5017輸出模擬視頻信號,格式為逐行掃描。OV5017內部嵌入了一個8bit的A/D,因而可以同步輸出8位的數字視頻流D[7..0]。在輸出數字視頻流的同時,還提供像素時鐘PCLK、水平參考信號HREF、垂直同步信號VSYNC,便于外部電路讀取圖像。
OV5017的像素陣列為384×288,分為16×16的子塊,每個子塊大小為24×18,可以在整個圖像的局部開窗,輸出窗口中的圖像。
2.2 OV5017的編程功能
OV5017具有豐富的編程控制功能,其圖像幀頻、曝光時間、增益控制、Gamma校正、圖像開窗等均可通過對芯片內部寄存器的讀寫進行設置,數字視頻流的輸出也必須通過對寄存器的讀取才能實現。
芯片內部有11個8位寄存器,通過對地址線A[3..0]的設置來選擇寄存器,通過讀寫數據線D[7..0]來讀取或設置寄存器。在對寄存器進行讀(或寫)時,應使片選CSB與輸出使能OEB(或寫使能WEB)有效。
地址號10xx的寄存器為視頻數據端口,它是只讀的,當選中并讀取它時,芯片向外輸出數字視頻流。
地址號0000的寄存器為狀態寄存器,它是只讀的,反映芯片的某些狀態。
地址號0001的寄存器為幀控制寄存器,它是只寫的,用于控制幀與行的同步信號。
地址號0010的寄存器為曝光控制寄存器,它是讀寫的,可選擇自動曝光,也可選擇手工曝光。曝光時間控制在1幀至1/100幀之間。
地址號0011的寄存器為增益控制寄存器,它是讀寫的,當手工曝光時,增益控制在0～18dB之間。
地址號0100的寄存器為幀頻控制寄存器,它是讀寫的,幀頻控制在50～0.5fps之間。
地址號0101的寄存器為雜項控制寄存器,它是讀寫的,負責設置Gamma校正、圖像鏡象、背景光補償、圖像銳化等功能。
地址號0110與0111的寄存器為窗口控制寄存器,它們均是讀寫的,負責設置窗口的水平尺寸、水平位置、垂直尺寸、垂直位置,以確定圖像中的一個窗口。
地址號1110與1111的寄存器保留,用于測試。
2.3 數字圖像的輸出
OV5017中數字視頻流的輸出必須通過對芯片內視頻數據端口,即地址號為10xx的寄存器的讀取來實現。其步驟為:
(1)設置地址總線A[3..0]為10xx;
(2)使能片選CSB與輸出使能OEB。
若需輸出局部圖像則應事先設置窗口控制寄存器。
數字視頻流輸出的時序如圖2所示。圖中,
TPHD:PCLK下降沿至HREF有效,最大25ns;
TPDD:PCLK上升沿至視頻數據有效,最大25ns;
VD：視頻數據。
因篇幅所限,這里僅給出圖像一行中4個像素輸出的時序。根據圖2所示時序,外部電路就可以讀取芯片輸出的圖像數據。
3 基于OV5017的圖像采集系統
基于OV5017的圖像采集系統結構如圖3所示。
在本系統中,OV5017作為系統的圖像傳感器,其內部將獲取的圖像采樣量化,在外部邏輯的控制下輸出數字圖像,存入圖像存儲器。這里,OV5017的管腳A[3..0]與D[3..0]復用共同的外部數據線,因此加一個鎖存器將它們分開。在讀寫OV5017的內部寄存器時,需分兩個操作進行,即先選擇寄存器,再讀寫該寄存器。同時,為避免總線沖突,TMS320C31的低8位數據線與OV5017的數據線之間和TMS320C31的地址線與采集地址線之間各加了一個總線隔離。
系統讀取圖像的過程為:
(1)對譯碼與時序發生器初始化;
(2)視需要設置OV5017的內部控制寄存器,如曝光控制、增益控制、窗口控制等;
(3)選擇OV5017的視頻數據端口,即寄存器10xx;
(4)TMS320C31向譯碼與時序發生器發信號,通知開始采集圖像;
(5)譯碼與時序發生器使能總線隔離,并根據OV5017輸出的參考信號,即VSYNC、HREF與PCLK,生成圖像存儲器的片選、寫及地址信號。這樣數字圖像即以連續的方式存入圖像存儲器中;
(6)TMS320C31向譯碼與時序發生器發信號,通知停止采集圖像,OV5017則停止輸出數字圖像。
在圖像采集過程中,TMS320C31可訪問除圖像存儲器與OV5017以外的其他存儲器或端口。
該系統由于省略了A/D等器件,因而具有結構簡單、體積小、功耗低等優點。同時,由于OV5017內部嵌入曝光、增益、開窗等控制電路,并且編程方便,這就提高了采集系統在功能上的靈活性。本系統適合于監控、多媒體等應用范圍。
參考文獻
1 OV5017技術資料.OmniVision Technologies公司,1997.10
2 JOSH PINE.CMOS圖像傳感器的設計考慮.電子產品世界,1999(8)
3 李 兵.CMOS芯片數字圖像系統.電子產品世界,1999(7)