ARM9平臺下的CMOS圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

隨著CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)技術(shù)的發(fā)展及市場需求的增加，CMOS圖像傳感器得以迅速發(fā)展。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A／D轉(zhuǎn)換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比，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)，因此，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越廣泛。

但是，目前市場上的大部分基于CMOS圖像傳感器的圖像采集系統(tǒng)都是采用DSP與圖像傳感器相連，由DSP來控制圖像傳感器，然后由DSP采集到圖像后再通過USB接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理。這樣的圖像采集系統(tǒng)成本較高，功耗大，而且體積上也有一定的限制，并不適合一些簡單的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種基于S3C2410的CMOS圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本更為低廉、結(jié)構(gòu)更為簡單、設(shè)計(jì)更為新穎。

1CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)性能及工作原理

該系統(tǒng)選用OmniVision公司的OV7141黑白CMOS數(shù)字圖像傳感器。OV7620是一款單片VGA模式黑白數(shù)字像機(jī)芯片，具有640×480=307200像素，最高可以30幀／s的速度輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。具有高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍、抗開花、零光暈等特點(diǎn)，所有的圖像特性參數(shù)如曝光量、增益、白平衡、幀頻、輸出圖像數(shù)據(jù)格式、圖像時(shí)序信號極性、窗口大小及位置等，都可以通過SCCB接口進(jìn)行設(shè)置，并可立刻生效。

OV7141的主要特性參數(shù)如下：圖像尺寸為3。6mm×2。7mm；像素尺寸為5。6μm×5。6μm；像素?cái)?shù)為640×480像素(VGA)，320×240像素(QVGA)；信噪比>46dB；最小照度為3。0V／(Lux·s)；暗電流為30mV／s；動(dòng)態(tài)范圍為62dB；電源為DC3。3V和DC2。5V；功耗為40mW(工作)，30μA(休眠)。

CMOS鏡像陣列的設(shè)計(jì)主要建立在逐行傳送的掃描場讀出系統(tǒng)和帶同步像素讀出電路的電子快門之上。而電子曝光控制算法(或系統(tǒng)規(guī)則)則建立在整個(gè)圖(物)像亮度基礎(chǔ)之上。在景像(或布景)正常時(shí)，一般曝光都比較理想。但在景像光線不適當(dāng)時(shí)，則應(yīng)通過AEC(自動(dòng)曝光控制)白／黑比調(diào)節(jié)來使其滿足應(yīng)用要求。圖像采集窗口可以任意設(shè)定，數(shù)據(jù)輸出方式可以選擇逐行工作模式或隔行工作模式。OV7141內(nèi)部嵌入了一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器，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)，還可提供像素同步時(shí)鐘PCLK，水平參考信號HREF以及幀同步信號VSYNC，以方便外部電路讀取圖像。像素?cái)?shù)據(jù)輸出與PCLK、HREF、VSYNC的時(shí)序關(guān)系如圖1和圖2所示。

2S3C2410簡介

Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2410，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，S3C2410提供了以下豐富的內(nèi)部設(shè)備：分開的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache，內(nèi)帶MMU、LCD控制器(支持STNTFT)，支持NANDFlash系統(tǒng)引導(dǎo)，系統(tǒng)管理器(片選邏輯和SDRAM控制器)，3通道UART，4通道DMA(直接存儲器存取)，4通道PWM(脈寬調(diào)制)定時(shí)器，I／O端口，RTC，8通道10位A／D轉(zhuǎn)換器和觸摸屏接口，IIC-BUS接口，USB主機(jī)，USB設(shè)備，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))時(shí)鐘倍頻器。

3CMOS圖像傳感器與控制器接口電路設(shè)計(jì)

接口電路的設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮CMOS圖像傳感器與控制器S3C2410的數(shù)據(jù)輸出電路接口、控制電路接口以及IIC總線接口。

3。1數(shù)據(jù)接口模塊

由于CMOS圖像傳感器的每一個(gè)成像單元像DRAM內(nèi)存的存儲單元一樣被單獨(dú)編址，且OV7141內(nèi)部嵌入了一個(gè)8位A／D轉(zhuǎn)換器，因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流D[7…0]。因此，與其數(shù)據(jù)線連接就和DRAM一樣，將數(shù)據(jù)線和S3C2410的數(shù)據(jù)總線直接連接即可。線路連接如圖3所示。

但CMOS圖像傳感器也有與內(nèi)存不同的地方：內(nèi)存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中總是作為一個(gè)從設(shè)備來對待，只有控制器對其進(jìn)行讀寫操作時(shí)它才打開數(shù)據(jù)總線，其他時(shí)刻為斷開狀態(tài)(高阻態(tài))；而OV7141圖像傳感器一旦開始采集圖像數(shù)據(jù)，它根本不管系統(tǒng)中的主控制器是否對其進(jìn)行讀寫操作，總是按照它自己的時(shí)序向其數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù)，這樣就可能造成數(shù)據(jù)總線的沖突問題。為了避免這種總線沖突問題，需要在系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)總線與OV7141圖像傳感器的數(shù)據(jù)總線之間接入一個(gè)具有三態(tài)功能的總線驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器的使能端／OE由S3C2410的存儲器單元片選信號nGCS1來選通，這樣，控制器S3C2410對圖像傳感器的讀寫就如同讀寫內(nèi)存一樣。