嵌入式系統(tǒng)中CMOS圖像傳感器接口技術(shù)

摘　要：提出了CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器在嵌入式系統(tǒng)中的接口技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件驅(qū)動(dòng)使嵌入式處理器能夠控制CMOS圖像傳感器圖像數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。并對(duì)CMOS圖像傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值和自動(dòng)白平衡處理。此接口模塊已經(jīng)成功地應(yīng)用于二維條碼識(shí)讀器的圖像采集模塊中，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；嵌入式Linux；總線；嵌入式系統(tǒng)

背　景

目前數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，主要采用兩種方式：一種是使用CCD(電容耦合器件)圖像傳感器，另一種是使用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)圖像傳感器。

CCD圖像傳感器具有讀取噪聲低、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。因而CCD圖像傳感器具有體積大、功耗高等缺點(diǎn)。

CMOS圖像傳感器是近些年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了CMOS技術(shù)，可以將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、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)集成在同一塊芯片上。因此與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，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于手持式設(shè)備來(lái)說(shuō)，體積和功耗是進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，因此CMOS圖像傳感器應(yīng)用在手持式設(shè)備當(dāng)中將會(huì)有廣闊的前景。

文中將就嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計(jì)CMOS圖像傳感器的圖像采集設(shè)備硬件接口技術(shù)和軟件驅(qū)動(dòng)進(jìn)行研究。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)選擇
摩托羅拉MC9328MX1處理器基于ARM920T嵌入式處理器內(nèi)核，能工作于高達(dá)200MHz的主頻。它集成了許多模塊，支持接口模塊、GPIO(General Purpose I/O)接口模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊(CGM，Clock Generation Module)等，為各種外設(shè)提供了靈活的接口控制功能。摩托羅拉MC9328MX1處理器內(nèi)置的CSI(CMOSSensor Interface)模塊提供了時(shí)序控制模塊，可以適應(yīng)不同CMOS圖像傳感器的要求。

COMS圖像傳感器的選擇
ICM105C是IC Media公司生產(chǎn)的一種單芯片數(shù)字彩色圖像器件，使用1/4英寸的光學(xué)系統(tǒng)。它內(nèi)置了一個(gè)640480(650490物理像素)傳感器陣列、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和相關(guān)雙采樣電路。它的控制部分使用I2C總線，只需要一個(gè)I2C總線的從設(shè)備地址就可以對(duì)其內(nèi)部的控制和狀態(tài)寄存器進(jìn)行設(shè)置和讀取。ICM105C輸出的是貝葉爾格式的圖像數(shù)據(jù)，其中的RGB顏色分量可以被數(shù)字增益所調(diào)整，可以反饋給嵌入式處理器進(jìn)行色彩處理或壓縮。

接口電路的設(shè)計(jì)
接口電路設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮圖像傳感器的電源驅(qū)動(dòng)控制電路的接口以及數(shù)據(jù)輸出電路的接口。ICM105C使用3V的電源驅(qū)動(dòng)、24MHz的時(shí)鐘頻率，輸出8位的數(shù)據(jù)，控制部分主要使用總線，要保證ICM105C正常工作必須提供這些條件。

(1)電源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。由于CMOS圖像傳感器是電源敏感元件，如果電源不穩(wěn)會(huì)給成像效果造成很大影響。ICM105C對(duì)于供電電壓的要求為3V，最小2.8V，最大3.1V，并且分開(kāi)了數(shù)字電源和模擬電源。但是主處理板只提供了單3V的電源，而且這個(gè)電源同時(shí)提供給主處理板芯片使用，所以必須采取相應(yīng)的機(jī)制保證電源的穩(wěn)定和數(shù)字電源和模擬電源的隔離，同時(shí)本系統(tǒng)的另一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)是小型化和簡(jiǎn)單化。為了兼顧這兩者的要求，電源設(shè)計(jì)舍棄了使用復(fù)雜的穩(wěn)壓芯片的方案，僅使用電容和電感來(lái)穩(wěn)定電壓和消除數(shù)字電源和模擬電源之間的干擾，其電路圖如圖1 所示。

圖1 　電源驅(qū)動(dòng)原理圖

VDD 3V是主板提供的電源，VCCD和VCCA分別是提供給ICM105C 的數(shù)字電源和模擬電源，其中L1，L4，C1，C3起到隔離數(shù)字電源和模擬電源及濾波的作用。數(shù)字地和模擬地也用電感消除干擾。

(2)數(shù)據(jù)輸出接口電路設(shè)計(jì)。摩托羅拉MC9328MX1處理器內(nèi)置的CSI 模塊提供了時(shí)序控制模塊，這樣可以簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，只需要將8位數(shù)據(jù)線和輸出時(shí)鐘還有場(chǎng)頻、行頻和像素時(shí)鐘與CSI 模塊連接即可保證處理器的正確采集數(shù)據(jù)。具體的邏輯連接關(guān)系如圖2 所示。

圖2 　ICM105C和主處理板的邏輯連接圖

其中時(shí)鐘線是從MC9328MX1輸入24MHz的時(shí)鐘信號(hào)，PCLK是CMOS輸出的像素時(shí)鐘，VSYNC是場(chǎng)頻，HSYNC是行頻，DOUT[0-7]為輸出的數(shù)據(jù)。其時(shí)序關(guān)系如圖3所示。DOUT[7：0]在PCLK時(shí)鐘上升沿有效，HSYNC和VSYNC處于低電平時(shí)有效。為了達(dá)到這種時(shí)序效果需要對(duì)芯片的某些引腳進(jìn)行正確地初始化設(shè)置。ICM105C的引腳37控制數(shù)據(jù)的同步模式，用上拉電阻接高電平，這樣可以使傳感器輸出HSYNC 和VSYNC 同步信號(hào)。

圖3 　ICM105C的數(shù)據(jù)輸出時(shí)序圖

HSYNC和VSYNC的極性也可以進(jìn)行配置，將引腳46和47接地，這樣HSYNC和VSYNC在有效時(shí)為低電平。引腳14為時(shí)鐘選擇信號(hào)，將其接地表示使用外部時(shí)鐘，這樣內(nèi)部晶振輸入引腳12、13就可以懸空。

(3)控制電路設(shè)計(jì)。要使傳感器正常工作，必須對(duì)芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行初始化。初始化的工作必須通過(guò)傳感器的I²C接口進(jìn)行。ICM105C提供了一種硬件初始化的方式，如果引腳33在芯片啟動(dòng)時(shí)為高電平，那么傳感器的I2C接口將首先工作在主設(shè)備模式下，并且試圖從外部的串行EEPROM中讀取初始化數(shù)據(jù)。然后，傳感器又回到正常的從設(shè)備工作模式下。為了使接口電路簡(jiǎn)單化，直接用主處理板的I2C 接口來(lái)控制傳感器，將此引腳接地，使其工作在從模式，這樣EEPROM 部分的電路就可以舍棄。

軟件驅(qū)動(dòng)

CMOS圖像傳感器需要嵌入式系統(tǒng)的軟件驅(qū)動(dòng)才能正常工作，并輸出正確的圖像數(shù)據(jù)。由于處理端的嵌入式系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，I²C接口的驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)集成在操作系統(tǒng)內(nèi)部，中斷資源可以作為資源來(lái)申請(qǐng)，操作系統(tǒng)還提供了調(diào)用其它資源的接口函數(shù)，這極大地方便了驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)。在本次設(shè)計(jì)中采用了Linux系統(tǒng)下模塊形式的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫(xiě)方法。整個(gè)軟件驅(qū)動(dòng)需要完成兩個(gè)功能模塊：接口的初始化模塊和接收輸出的數(shù)據(jù)。

初始化

(1) CSI模塊的初始化。根據(jù)ICM105C芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，CSI 的重置信號(hào)需要保持有效直至輸入電壓保持恒定大于兩個(gè)時(shí)鐘周期，圖4是時(shí)序圖。

圖4 軟重置信號(hào)時(shí)序圖

由于主處理板是一上電就開(kāi)始工作，而ICM105C的驅(qū)動(dòng)程序必須在處理板上的操作系統(tǒng)啟動(dòng)后才開(kāi)始工作。尤其是時(shí)鐘信號(hào)只有在驅(qū)動(dòng)加載后才開(kāi)始提供給ICM105C ，要造成重置信號(hào)的時(shí)序效果，必須使用一個(gè)軟件控制的重置信號(hào)，在時(shí)鐘輸出到傳感器后至少兩個(gè)時(shí)鐘周期保持有效，然后拉高電平使之無(wú)效。在設(shè)計(jì)中，采用了摩托羅拉MC9328MX1處理器一個(gè)GPIO端口來(lái)實(shí)現(xiàn)軟重置信號(hào)。

(2)設(shè)置時(shí)鐘，初始化I²C接口。ICM105C需要24MHz的時(shí)鐘，摩托羅拉的MC9328MX1處理板的外頻是96MHz ，因此需要四分之一的主頻。只需要設(shè)置相應(yīng)的時(shí)鐘產(chǎn)生模塊寄存器的值即可保證輸出24MHz。I²C總線的兩個(gè)信號(hào)線SDA，SCL 需要設(shè)置相應(yīng)GPIO的兩個(gè)引腳，使其用來(lái)進(jìn)行I²C傳輸。還需要掛載Linux操作系統(tǒng)的I²C驅(qū)動(dòng)，編寫(xiě)I²C讀和寫(xiě)的功能函數(shù)。需要注意的是ICM105C的I2C地址值為21H。

(3)初始化CMOS傳感器。ICM105C內(nèi)部控制和狀態(tài)寄存器通過(guò)I²C 總線來(lái)初始化CMOS，初始化序列(寄存器的地址、值序列)由IC Media公司提供，初始化完成后，就可以接收到數(shù)據(jù)和時(shí)序信號(hào)了。

接收數(shù)據(jù)
接收數(shù)據(jù)是驅(qū)動(dòng)程序中最重要的一個(gè)部分，它需要協(xié)調(diào)好中斷和DMA 傳輸，保證數(shù)據(jù)的正確接收，并且在出錯(cuò)時(shí)能夠正確地恢復(fù)。這一部分的軟件流程如圖5所示。

圖5 　接收數(shù)據(jù)軟件流程圖

其中在開(kāi)始階段申請(qǐng)中斷和DMA資源并申請(qǐng)內(nèi)存空間存放接收的數(shù)據(jù)。中斷的主要任務(wù)是在每一幀開(kāi)始時(shí)，開(kāi)始DMA傳輸。DMA傳輸主要將從FIFO中讀出數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中，并處理可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤。本例中一旦出現(xiàn)DMA傳輸錯(cuò)誤就丟棄該幀。

數(shù)據(jù)處理
下面就是數(shù)據(jù)的處理模塊。由于接收到的數(shù)據(jù)還是原始數(shù)據(jù)，需要處理才能形成最終的圖像數(shù)據(jù)。

具體的處理過(guò)程如下：

(1)線性插值。由于制作工藝的問(wèn)題，CMOS圖像傳感器中的感光點(diǎn)只能放置一種濾色片，也就是說(shuō)它的每個(gè)物理像素點(diǎn)只能感應(yīng)R 或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數(shù)據(jù)(如圖6所示)。它必須經(jīng)過(guò)插值運(yùn)算才能得到每個(gè)像素的RGB值。

圖6 　貝葉爾格式(Bayer pattern)

由上圖可以看出，每個(gè)像素點(diǎn)都有8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)，而且這8個(gè)像素點(diǎn)的顏色分量與此像素點(diǎn)不同。插值算法就是依據(jù)相鄰的像素點(diǎn)的顏色值的空間相關(guān)性原理進(jìn)行的。其處理方法如下：

a. 只有R顏色分量的像素點(diǎn)，其G顏色分量由周?chē)?個(gè)G的平均值計(jì)算得出。B顏色分量由周?chē)?個(gè)B的平均值計(jì)算得出。

b. 只有B顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由周?chē)?個(gè)R的平均值計(jì)算得出，G顏色分量由周?chē)?個(gè)G平均值計(jì)算得出。

c. 只有G顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由上下2個(gè)R的平均值計(jì)算得出，B顏色分量由左右2個(gè)B平均值計(jì)算得出。經(jīng)過(guò)插值運(yùn)算，每個(gè)像素點(diǎn)的RGB都得出了，這就形成了完整的圖像數(shù)據(jù)。

(2)白平衡。任何物體在不同的光線下具有不同的色溫。所謂色溫，簡(jiǎn)而言之，就是定量地以開(kāi)爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍(lán)色分量就越多；色溫越低，物體的紅色分量就越多。由于人眼具有自調(diào)節(jié)性，所以即使物體色溫不同，也能正確識(shí)別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒(méi)有自調(diào)節(jié)性，所以當(dāng)在戶(hù)外日光下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì)因?yàn)樯珳馗叨{(lán)。而在室內(nèi)的熒光燈下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì)因?yàn)樯珳氐投t。要得到正確的顏色，必須進(jìn)行白平衡。白平衡的基本原理是調(diào)整顏色的色溫，使其保持在一個(gè)特定的范圍內(nèi)。在此接口的應(yīng)用中采用了一個(gè)較簡(jiǎn)單的白平衡方法，其處理過(guò)程如下：

a. 首先求出一幅圖像的數(shù)據(jù)每個(gè)顏色分量的平均值：

b. 求出最大的平均值：

c. 求出每個(gè)顏色數(shù)據(jù)的白平衡后的校正值：

經(jīng)過(guò)這樣的運(yùn)算就得到了白平衡后的數(shù)據(jù)。目前白平衡還沒(méi)有很好的算法來(lái)處理一切情況，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的算法。

結(jié)　論

文中提出的ICM105C圖像傳感器的接口技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在二維條碼識(shí)讀器當(dāng)中，為了實(shí)際應(yīng)用的需要，ICM105C的電路模塊被設(shè)計(jì)成只有35mm35mm大小，通過(guò)一個(gè)20芯的排線與主處理板連接。正常工作時(shí)功耗低于50mW，采集的圖像數(shù)據(jù)良好，而且可以通過(guò)軟件來(lái)控制圖像傳感器的工作方式，非常適用于手持式設(shè)備的應(yīng)用。