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(dòng)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(shí)產(chǎn)生,、驅(qū)動(dòng)放大,、自動(dòng)曝光控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理等支持電路就不能與像素陣列做同一芯片上,，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圖像傳感器是近向年發(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(gè)較完成的圖像系統(tǒng)（Camera on Chip），通常包括：一個(gè)圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘,、所有的時(shí)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(gè)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(shí),，最小照度為[email protected],；
(4)幀頻50時(shí),，峰值功耗小于100mW。
OV5017輸出模擬視頻信號(hào),，格式為逐行掃描,。OV5017內(nèi)部嵌入了一個(gè)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(shí),，還提供像素時(shí)鐘PCLK、水平參考信號(hào)HREF,、垂直同步信號(hào)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(gè)子塊大小為24×18，可以在整個(gè)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(shí)間,、增益控制,、Gamma校正、圖像開窗等均可通過對(duì)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(duì)寄存器讀取才能實(shí)現(xiàn),。
芯片內(nèi)部有11個(gè)8位寄存器，通過對(duì)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[7..0]來讀取或設(shè)置寄存器,。在對(duì)寄存器進(jìn)行讀（或?qū)懀?br />
時(shí)，應(yīng)使片選CSB與輸出使能OEB（或定使能WEB）有效,。
地址號(hào)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(shí),，芯片向外輸出數(shù)據(jù)視頻流,。
地址號(hào)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(hào)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(hào),。
地址號(hào)0010的寄存器為曝光控制寄存器，它是讀寫的,，可選擇自動(dòng)曝光,，也可選擇手工曝光。曝光時(shí)間控制在1幀至1/100幀之間,。
地址號(hào)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(shí),，增益控制在0～18dB之間,。
地址號(hào)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(hào)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,、圖像象,、背景光補(bǔ)償、圖像銳化等功能,。
地址號(hào)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(gè)窗口,。
地址號(hào)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(duì)芯片內(nèi)視頻數(shù)據(jù)端口，即地址號(hào)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(shí)序如圖2所示,。圖中，
TPHD：TCLK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(gè)像素輸出的時(shí)序,。根據(jù)圖2所示時(shí)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)部將獲取的圖像采集量化,，在外部邏輯的控制下輸出數(shù)字圖像,，存入圖像存儲(chǔ)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(gè)鎖存器將它們分開。在讀寫OV5017的內(nèi)部寄存器時(shí),，需分兩個(gè)操作進(jìn)行,，即先選擇寄存器，再讀定該寄存器。同時(shí),，為避免總線沖突,，TMS320C31的低8位數(shù)據(jù)線與OV5017的數(shù)據(jù)之間和TMS320C31的地址線與采集地址之間各加了一個(gè)總線隔離。
系統(tǒng)讀取圖像的過程為：
（1）對(duì)譯碼與時(shí)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(shí)序發(fā)生器發(fā)信號(hào),，通知開始采集圖像；
（5）譯碼與時(shí)序發(fā)生器使能總線隔離,，并根據(jù)OV5017輸出的參考信號(hào),，即VSYNC、HREF與PCLK,，生成圖像存儲(chǔ)器的片選,、寫及地址信號(hào)。這樣數(shù)字圖像即以連續(xù)的方式存入圖像存儲(chǔ)器中,；
（6）TMS320C31向譯碼與時(shí)序發(fā)生器發(fā)信號(hào),，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(chǔ)器與OV5017以外的其他存儲(chǔ)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(shí),，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。