ARM9平臺下的CMOS圖像傳感器工作原理及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

隨著CMOS(互補金屬氧化物半導(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、單一時鐘、所有的時序邏輯、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，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)計更為新穎。

1 CMOS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)字像機芯片，具有640×480=307 200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、寬動態(tài)范圍、抗開花、零光暈等特點，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3.6 mm×2.7 mm；像素尺寸為5.6μm×5.6μm；像素數(shù)為640×480像素(VGA)，320×240像素(QVGA)；信噪比>46 dB；最小照度為3.0 V／(Lux·s)；暗電流為30 mV／s；動態(tài)范圍為62 dB；電源為DC 3.3 V和DC 2.5V；功耗為40 mW(工作)，30μA(休眠)。

CMOS鏡像陣列的設(shè)計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)則建立在整個圖(物)像亮度基礎(chǔ)之上。在景像(或布景)正常時，一般曝光都比較理想。但在景像光線不適當(dāng)時，則應(yīng)通過AEC(自動曝光控制)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，還可提供像素同步時鐘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。像素數(shù)據(jù)輸出與PCLK、HREF、VSYNC的時序關(guān)系如圖1和圖2所示。

2 S3C2410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)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整個系統(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NAND Flash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，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))時鐘倍頻器。

3 CMOS圖像傳感器與控制器接口電路設(shè)計

接口電路的設(shè)計主要應(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成像單元像DRAM內(nèi)存的存儲單元一樣被單獨編址，且OV7141內(nèi)部嵌入了一個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)存在計算機系統(tǒng)中總是作為一個從設(shè)備來對待，只有控制器對其進(jìn)行讀寫操作時它才打開數(shù)據(jù)總線，其他時刻為斷開狀態(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)總線之間接入一個具有三態(tài)功能的總線驅(qū)動器，該驅(qū)動器的使能端／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。

3.2 控制接口模塊

當(dāng)CMOS圖像傳感器工作于逐行掃描方式時，在輸出一幀同步信號后將輸出一幀的數(shù)據(jù)，在每一行數(shù)據(jù)前也會輸出行同步信號，每一個像素有效信號觸發(fā)一個點的信號輸出，輸出有效窗口由HREF信號決定。由圖1、圖2可知，幀同步信號VSYNC標(biāo)示一幀數(shù)據(jù)的開始。然后，在每一個PCLK信號的作用下，傳感器順序地從左到右依次輸出每一個像素數(shù)據(jù)。當(dāng)輸出的像素數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)時，HREF為有效電平。當(dāng)一幀的所有數(shù)據(jù)都輸出后，則又產(chǎn)生一個幀同步信號VSYNC，開始下一幀數(shù)據(jù)的傳輸。根據(jù)以上時序圖的特定，可以采用DMA的傳送方式來實現(xiàn)圖像傳感器到DRAM的數(shù)據(jù)傳輸?？梢允褂脦叫盘朧SYNC來作為主控制器的一個中斷輸入信號，以初始化DMA控制器，用水平同步信號HREF作為一個外部中斷輸入信號，以統(tǒng)計每行數(shù)據(jù)的輸出，用輸出數(shù)據(jù)同步信號PCLK作為DMA傳送的請求信號(Request)，以請求傳輸一個像素的數(shù)據(jù)信息。連接電路如圖4所示。

3.3 IIC總線接口模塊

CMOS圖像傳感器目前普遍采用IIC總線功能集中的一個子集，因此該接口比一個完整的主IIC總線更簡單。硬件連接只需將OV7141的SIO_C、SIO_D分別與S3C2410的SCL、SDA相連皆可，見圖4。

IIC總線由雙向數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL組成，用戶使用集電極開路門以“線與”方式進(jìn)行總線連接。IIC總線的通信協(xié)議見圖5，包括開始信號、結(jié)束信號、應(yīng)答信號和數(shù)據(jù)有效等狀態(tài)。當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時，SDA由“1”跳變到“0”，表示開始信號；當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時，SDA由“0”跳變到“1”，表示結(jié)束信號；在數(shù)據(jù)傳輸過程中，SDA在時鐘高電平時有效，低電平時更換數(shù)據(jù)。開始和結(jié)束信號均由主IIC產(chǎn)生，通過SDA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字節(jié)(8 bit)為單位，高位在前，低位在后，在每個字節(jié)后面由接收端發(fā)送一個低電平的應(yīng)答信號。

其讀寫周期如下：當(dāng)要進(jìn)行IIC總線寫操作時，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫地址，緊接著發(fā)送需要寫的寄存器的地址(sub_address)，再發(fā)送數(shù)據(jù)(data)；當(dāng)進(jìn)行IIC總線讀操作時，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫地址，緊接著發(fā)送需要寫的寄存器的地址(sub_address)，再發(fā)送CMOS傳感器特定ID讀地址，最后接收數(shù)據(jù)(data)。對于不同的CMOS傳感器，它們的ID地址是不同的。OV7141為42H(寫)，43H(讀)。

4 CMOS圖像傳感器的軟件驅(qū)動設(shè)計

CMOS圖像傳感器需要控制器S3C2410的驅(qū)動才能正常工作，并輸出正確的圖像數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)CMOS傳感器和主存儲器(DRAM)之間的快速傳輸，可以采用DMA方式。DMA是一種快速傳送數(shù)據(jù)的機制，它不需要CPU的參與而實現(xiàn)高速外設(shè)和主存儲器之間自動成批交換數(shù)據(jù)的操作方式。由于處理端采用的是S3C2410，DMA、中斷以及IIC總線接口都已經(jīng)集成在控制器內(nèi)部，因此，整個軟件驅(qū)動只需要完成兩個功能模塊的設(shè)置：對主控制器S3C2410的設(shè)置；通過SCCB口對OV7141的設(shè)置。

4.1 對主控制器S3C2410的設(shè)置

a) 設(shè)置DMA的源地址為控制總線驅(qū)動器的那一個地址，每一次傳輸該地址值不變化；

b) 設(shè)置DMA的目標(biāo)地址為要保存圖像數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域的起始地址，每一次傳輸該值加1；

c) 設(shè)置DMA的計數(shù)器為有效窗口的像素數(shù)的個數(shù)；

d) 設(shè)置DMA中斷為軟件觸發(fā)，且設(shè)置PCLK、VSYNC、HREF為外部中斷觸發(fā)信號，以控制圖像數(shù)據(jù)的輸出。

4.2 通過SCCB接口對OV7141的設(shè)置

a) 讀OV7141的1C、1D寄存器，判斷芯片是否正常；

b) 設(shè)置13寄存器為0x07，允許AGC，允許白平衡；

c) 設(shè)置14寄存器為0x00，設(shè)置有效窗口為640×480像素(VGA)；

d) 設(shè)置17、18、19、lA寄存器，設(shè)置HREF和VSYNC信號的起始與停止；

e) 設(shè)置28寄存器為0x60，設(shè)置為黑白模式和逐行掃描模式。

5 實驗與討論

本系統(tǒng)中，圖像傳感器的時鐘由外接24 MHz的晶振供給，主控制器S3C2410工作頻率為200 MHz，CMOS圖像傳感器OV7141工作于逐行掃描方式，圖像采集窗口為640×480像素，數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)中一片SDRAM中。實驗表明，系統(tǒng)每秒能穩(wěn)定采集到15幀圖像數(shù)據(jù)。若要提高圖像采集的速率，可以再加入一塊雙端口SDRAM作為數(shù)據(jù)輸出緩存，這樣速率有所提高，但雙端口SDRAM價格較貴，或者選用能工作于更高工作頻率的主控制器也能提高采集速率。

本設(shè)計是基于32位處理器的嵌入式圖像采集系統(tǒng)。設(shè)計中直接將主控制器S3C2410與圖像傳感器連接，再加上一些存儲芯片，構(gòu)成一個簡單的圖像采集系統(tǒng)，因而與其他大多數(shù)基于PC機的圖像采集系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小、功耗低、通用性好等優(yōu)點，特別適合一些對體積、成本、功耗有較高要求的應(yīng)用，如目前市場上的指紋識別系統(tǒng)等。因此，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用價值和一定的研究意義