摘 要： 闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征,詳細(xì)介紹了CMOS黑白圖像傳感器芯片OV5017的性能與使用特點(diǎn),討論了OV5017在圖像采集中的應(yīng)用。
關(guān)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(shí)用化固態(tài)圖像傳感器件,它具有讀取噪聲低,、動態(tài)范圍大,、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但CCD技術(shù)難以與主流的CMOS技術(shù)集成于同一芯片之中,。這樣,諸如定時產(chǎn)生、驅(qū)動放大、自動曝光控制,、模數(shù)轉(zhuǎn)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(chǔ)的圖像傳感器難以實(shí)現(xiàn)單片一體化,因而具有體積大、功耗高等缺點(diǎn),。
CMOS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器,由于采用了相同的CMOS技術(shù),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(shí)際上,CMOS圖像傳感器是一個較完整的圖像系統(tǒng)(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(shù)轉(zhuǎn)換器。其基本結(jié)構(gòu)見圖1,。與CCD相比,CMOS圖像傳感器將整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上,具有以下優(yōu)點(diǎn):
(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(diǎn)
2.1 OV5017的基本性能
OV5017是美國OmniVision公司開發(fā)的CMOS黑白圖像傳感器芯片,該芯片將CMOS光感應(yīng)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(shù)混合輸出等功能,其輸出的視頻為黑白圖像,與CCIR標(biāo)準(zhǔn)兼容。
OV5017芯片的基本參數(shù)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[email protected];
(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(nèi)部嵌入了一個8bit的A/D,因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流D[7..0]。在輸出數(shù)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(nèi)部寄存器的讀寫進(jìn)行設(shè)置,數(shù)字視頻流的輸出也必須通過對寄存器的讀取才能實(shí)現(xiàn)。
芯片內(nèi)部有11個8位寄存器,通過對地址線A[3..0]的設(shè)置來選擇寄存器,通過讀寫數(shù)據(jù)線D[7..0]來讀取或設(shè)置寄存器,。在對寄存器進(jìn)行讀(或?qū)?時,應(yīng)使片選CSB與輸出使能OEB(或?qū)懯鼓躓EB)有效,。
地址號10xx的寄存器為視頻數(shù)據(jù)端口,它是只讀的,當(dāng)選中并讀取它時,芯片向外輸出數(shù)字視頻流。
地址號0000的寄存器為狀態(tài)寄存器,它是只讀的,反映芯片的某些狀態(tài),。
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(dāng)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(xiàng)控制寄存器,它是讀寫的,負(fù)責(zé)設(shè)置Gamma校正、圖像鏡象,、背景光補(bǔ)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(fù)責(zé)設(shè)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(shù)字圖像的輸出
OV5017中數(shù)字視頻流的輸出必須通過對芯片內(nèi)視頻數(shù)據(jù)端口,即地址號為10xx的寄存器的讀取來實(shí)現(xiàn)。其步驟為:
(1)設(shè)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(yīng)事先設(shè)置窗口控制寄存器,。
數(shù)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(shù)據(jù)有效,最大25ns;
VD：視頻數(shù)據(jù),。
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(jù)圖2所示時序,外部電路就可以讀取芯片輸出的圖像數(shù)據(jù),。
3 基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)
基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。
在本系統(tǒng)中,OV5017作為系統(tǒng)的圖像傳感器,其內(nèi)部將獲取的圖像采樣量化,在外部邏輯的控制下輸出數(shù)字圖像,存入圖像存儲器。這里,OV5017的管腳A[3..0]與D[3..0]復(fù)用共同的外部數(shù)據(jù)線,因此加一個鎖存器將它們分開,。在讀寫OV5017的內(nèi)部寄存器時,需分兩個操作進(jìn)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(shù)據(jù)線與OV5017的數(shù)據(jù)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(tǒng)讀取圖像的過程為:
(1)對譯碼與時序發(fā)生器初始化;
(2)視需要設(shè)置OV5017的內(nèi)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(shù)據(jù)端口,即寄存器10xx;
(4)TMS320C31向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號,通知開始采集圖像;
(5)譯碼與時序發(fā)生器使能總線隔離,并根據(jù)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(shù)字圖像即以連續(xù)的方式存入圖像存儲器中;
(6)TMS320C31向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號,通知停止采集圖像,OV5017則停止輸出數(shù)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(tǒng)由于省略了A/D等器件,因而具有結(jié)構(gòu)簡單,、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),。同時,由于OV5017內(nèi)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(tǒng)在功能上的靈活性,。本系統(tǒng)適合于監(jiān)控,、多媒體等應(yīng)用范圍。
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