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黑白CMOS圖像傳感器OV9120的原理及應(yīng)用
摘要：本文闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征，詳細(xì)介紹了黑白CMOS圖像傳感器芯片OV9120的性能、特點(diǎn)及工作原理，給出了OV9120在圖像采集處理中的具體應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；OV9120；圖像采集
１ 概述
隨著ＣＭＯＳ技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)需求的增加，ＣＭＯＳ圖像傳感器得以迅速發(fā)展。ＣＭＯＳ圖像傳感器具有高度集成化、成本低、功耗低、單一工作電壓、局部像素可編程、隨機(jī)讀取等優(yōu)點(diǎn)，適用于超微型數(shù)碼相機(jī)、便攜式可視電話、ＰＣ機(jī)電腦眼、可視門鈴、掃描儀、攝像機(jī)、安防監(jiān)控、汽車防盜、機(jī)器視覺、車載電話、指紋識(shí)別、手機(jī)等圖像領(lǐng)域。本文介紹的是由美國(guó)ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ技術(shù)公司生產(chǎn)的ＯＶ９１２０黑白ＣＭＯＳ圖像傳感器，它采用獨(dú)特的傳感器專利工藝技術(shù)和先進(jìn)的算法（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）解決了先前ＣＭＯＳ感光器件固定圖像噪聲（ＦＰＮ）的限制。因而可廣泛應(yīng)用于數(shù)字靜止攝像、視頻會(huì)議、視頻電話、計(jì)算機(jī)視覺、生物測(cè)量等領(lǐng)域。
２ 引腳功能
ＯＶ９１２０采用４８腳ＬＣＣ封裝，其引腳排列如圖１所示。
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３ 結(jié)構(gòu)性能及工作原理
３．１ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ＯＶ９１２０內(nèi)置１３１２×１０３６分辨率的鏡像陣列、１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、可調(diào)視頻窗、ＳＣＣＥ接口、可編程幀速率控制、可編程／自動(dòng)曝光增益控制、內(nèi)外幀同步、亮度均衡計(jì)數(shù)器、數(shù)字視頻端口、定時(shí)產(chǎn)生器、黑電平校準(zhǔn)及白平衡控制等電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。
３．２ 性能特點(diǎn)
ＯＶ９１２０是１３５萬像素（１３１２×１０３６）、１／２英寸的ＣＭＯＳ圖像傳感芯片，它采用ＳＸＧＡ／ＶＧＡ格式，最大幀速率可達(dá)到３０幀／ｓ（ＶＧＡ），該芯片將ＣＭＯＳ光感應(yīng)核與外圍輔助電路集成在一起，同時(shí)具有可編程控制功能。ＯＶ９１２０芯片的基本參數(shù)如下?
●圖像尺寸:６．６６ｍｍ×５．３２ｍｍ，像素尺寸，５．２μｍ×５．２μｍ；
●信噪比＞５４ｄＢ；
●增益調(diào)整范圍:０～２４ｄＢ；
●ＳＸＧＡ輸出時(shí)，陣列大小為１２８０×１０２４，ＶＧＡ輸出時(shí)，陣列大小為６４０×４８０；
●供電電源電壓為直流３．３Ｖ和２．５Ｖ；
●暗電流: ２８ｍＶ／ｓ；
●動(dòng)態(tài)范圍:６０ｄＢ。
３．３ 工作原理
ＣＭＯＳ鏡像陣列的設(shè)計(jì)主要建立在逐行傳送的掃描場(chǎng)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)通過自動(dòng)曝光控制（ＡＥＣ）白／黑比調(diào)節(jié)來使其滿足應(yīng)用要求。對(duì)于ＶＧＡ格式的輸出，ＯＶ９１２０圖像傳感器的視窗尺寸范圍從２×２到６４０×４８０，而對(duì)于ＳＸＧＡ格式的輸出，視窗范圍則從２×４到１２８０×１０２４，同時(shí)可以在內(nèi)部１３１２×１０３６邊界內(nèi)的任何地方定位。變動(dòng)窗口尺寸或位置不會(huì)使幀速（或數(shù)據(jù)速率）發(fā)生變化。幀速可通過主時(shí)鐘下行（ｄｏｗｎ）、插入垂直同步定時(shí)、或采用跳讀技術(shù)的ＱＶＧＡ格式使其發(fā)生變動(dòng)。
ＯＶ９１２０內(nèi)部嵌入了一個(gè)１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，因而可以同步輸出１０位的數(shù)字視頻流Ｄ[９．．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(hào)ＨＲＥＦ以及垂直同步信號(hào)ＶＳＹＮＣ，以方便外部電路讀取圖像。
ＺＶ端口就是相機(jī)（鏡頭）的焦距調(diào)節(jié)視頻端口。ＯＶ９１２０的ＺＶ功能能使相機(jī)透鏡變焦而急速移向（或移離）目標(biāo)。ＯＶ９１２０可利用外部主導(dǎo)機(jī)構(gòu)（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）設(shè)定曝光時(shí)間。當(dāng)ＦＲＥＸ被置位于１時(shí)，像素陣列被迅速充電，傳感器保持為高以拍攝圖像（或物像）。在ＦＲＥＸ轉(zhuǎn)換到０時(shí)，視頻數(shù)據(jù)流（ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ）用逐行讀出方式交付到輸出端口。當(dāng)數(shù)據(jù)從ＯＶ９１２０視頻輸出端輸出時(shí)，應(yīng)特別注意防止圖像陣列曝光影響拍攝圖像數(shù)據(jù)的完整性。與畫面曝光速率同步化的自動(dòng)快門能夠?qū)⑦@種影響降到最小程度。
當(dāng)ＯＶ９１２０的ＲＥＳＥＴ腳拉高至ＶＣＣ時(shí)，全部硬件將復(fù)位。同時(shí)ＯＶ９１２０將清除全部寄存器，并復(fù)位到它們的默認(rèn)值。實(shí)際上，也可以通過ＳＣＣＢ接口觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
由于ＳＣＣＥ端口能
夠訪問內(nèi)部所有寄存器，所以，ＯＶ９１２０的內(nèi)部配置可以通過ＳＣＣＥ串行控制端口來進(jìn)行。ＳＣＣＢ的接口有ＳＣＣＥ 、ＳＩＯ＿Ｃ 、ＳＩＯ＿Ｄ三條引線，其中ＳＣＣＥ是串行總線使能信號(hào)，ＳＩＯ＿Ｃ是串行總線時(shí)鐘信號(hào)，ＳＩＯ＿Ｄ是串行總線數(shù)據(jù)信號(hào)。ＳＣＣＢ對(duì)總線功能的控制完全是依靠ＳＣＣＥ、ＳＩＯ＿Ｃ、ＳＩＯ＿Ｄ三條總線上電平的狀態(tài)以及三者之間的相互配合來實(shí)現(xiàn)的�？刂瓶偩�規(guī)定的條件如下：當(dāng)ＳＣＣＥ由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)傳輸開始。當(dāng)ＳＣＣＥ由低電平轉(zhuǎn)化為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。為了避免傳送無用的信息位，可分別在傳輸開始之前和傳輸結(jié)束之后將ＳＩＯ＿Ｄ設(shè)置為高電平。在數(shù)據(jù)傳輸期間，ＳＣＣＥ始終保持低電平，此時(shí)，ＳＩＯ＿Ｄ上的數(shù)據(jù)傳輸由ＳＩＯ＿Ｃ來控制。當(dāng)ＳＩＯ＿Ｃ為低電平時(shí)，ＳＩＯ＿Ｄ上的數(shù)據(jù)有效，ＳＩＯ＿Ｄ為穩(wěn)定數(shù)據(jù)狀態(tài)。而當(dāng)ＳＩＯ＿Ｃ上每出現(xiàn)一正脈沖時(shí)，系統(tǒng)都將傳送一位數(shù)據(jù)。
ＯＶ９１２０有兩種工作方式：主模式和從模式。主模式下，ＯＶ９１２０作為主導(dǎo)設(shè)備，此時(shí)ＸＣＬＫ上的外部晶振輸入經(jīng)過內(nèi)部分頻后可得到ＰＣＬＫ信號(hào)。當(dāng)ＯＶ９１２０采集到圖像后，在ＰＣＬＫ的下降沿到來時(shí)，系統(tǒng)便可依次將像素值輸出，此時(shí)外部只是被動(dòng)的接收信號(hào)。而在從模式下，ＯＶ９１２０則可作為從屬設(shè)備，此時(shí)ＸＣＬＫ不能與外部晶振相接，但可以受外部器件，也就是主設(shè)備信號(hào)的控制。即由主導(dǎo)設(shè)備發(fā)送一個(gè)ＭＣＬＫ時(shí)鐘信號(hào)，并在此信號(hào)的同步下依次發(fā)送像素值。
４ ＯＶ９１２０在圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
整個(gè)圖像采集系統(tǒng)主要由ＯＶ９１２０圖像傳感芯片、ＣＰＬＤ控制模塊、ＲＡＭ存儲(chǔ)器、ＤＳＰ信號(hào)處理器、晶振電路等幾部分組成。
在本系統(tǒng)中，ＯＶ９１２０作為系統(tǒng)的圖像傳感器，首先在其內(nèi)部將獲取的圖像采樣量化，然后在外部邏輯的控制下輸出數(shù)字圖像，并存入圖像存儲(chǔ)器。ＣＰＬＤ作為采集系統(tǒng)核心控制邏輯的主控模塊，可用來協(xié)調(diào)其它各模塊的工作。ＯＶ９１２０的ＳＣＣＢ總線參數(shù)配置是整個(gè)控制邏輯模塊執(zhí)行的起點(diǎn)，只有利用ＳＣＣＢ總線將ＯＶ９１２０配置完畢后，才能進(jìn)行圖像采集工作。ＯＶ９１２０采集得到的圖像數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)到ＳＲＡＭ中以供ＤＳＰ使用，從而完成圖像采集系統(tǒng)與ＤＳＰ識(shí)別系統(tǒng)之間的交互操作。其系統(tǒng)原理圖如圖３所示。
系統(tǒng)上電后，應(yīng)首先對(duì)ＣＭＯＳ圖像采集芯片進(jìn)行初始化，以確定采集圖像的開窗位置、窗口大小和黑白工作模式等。這些參數(shù)均受ＯＶ９１２０內(nèi)部相應(yīng)寄存器值的控制。由于內(nèi)部寄存器的值可以通過ＯＶ９１２０芯片上提供的ＳＣＣＢ串行控制總線接口來存取，所以，ＣＰＬＤ就可以通過控制ＳＣＣＢ總線來完成參數(shù)的配置。
配置的具體方法可采用三相寫數(shù)據(jù)的方式，即在寫寄存器過程中先發(fā)送ＯＶ９１２０的ＩＤ地址，然后發(fā)送寫數(shù)據(jù)的目地寄存器地址，接著是要寫的數(shù)據(jù)。如果連續(xù)給寄存器寫數(shù)據(jù)，那么，寫完一個(gè)寄存器后，ＯＶ９１２０會(huì)自動(dòng)把寄存器地址加１，然后在程序控制下繼續(xù)向下寫，而不需要再次輸入地址，這樣，三相寫數(shù)據(jù)就變成了兩相寫數(shù)據(jù)。由于本系統(tǒng)只需對(duì)有限個(gè)不連續(xù)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，而對(duì)全部寄存器都加以配置會(huì)浪費(fèi)很多時(shí)間和資源，所以，可以只對(duì)需要更改數(shù)據(jù)的寄存器進(jìn)行寫數(shù)據(jù)。而對(duì)于每一個(gè)變化的寄存器，則都采用三相寫數(shù)據(jù)的方法。
系統(tǒng)配置完畢后，將進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集。在采集圖像的過程中，最主要的是判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束時(shí)刻。在仔細(xì)研究了ＯＶ９１２０輸出同步信號(hào)（ＶＳＹＮＣ是垂直同步信號(hào)、ＨＲＥＦ是水平同步信號(hào)、ＰＣＬＫ是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)）的基礎(chǔ)上，用ＶＨＤＬ語(yǔ)言便可實(shí)現(xiàn)采集過程起始點(diǎn)的精確控制。
ＶＳＹＮＣ的上升沿表示一幀新的圖像的到來，下降沿則表示一幀圖像數(shù)據(jù)采集的開始（ＣＭＯＳ圖像傳感器是按列采集圖像的）。ＨＲＥＦ是水平同步信號(hào)，其上升沿表示一列圖像數(shù)據(jù)的開始。ＰＣＬＫ是輸出數(shù)據(jù)同步信號(hào)。ＨＲＥＦ為高電平即可開始有效地?cái)?shù)據(jù)采集，而ＰＣＬＫ下降沿的到來則表明數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，ＰＣＬＫ每出現(xiàn)一個(gè)下降沿，系統(tǒng)便傳輸一位數(shù)據(jù)。ＨＲＥＦ為高電平期間，系統(tǒng)共傳輸１２８０位數(shù)據(jù)。也就是說：在一幀圖像中，即ＶＳＹＮＣ為低電平期間，ＨＲＥＦ會(huì)出現(xiàn)１０２４次高電平。而下一個(gè)ＶＳＹＮＣ信號(hào)上升沿的到來則表明分辨率１２８０×１０２４的圖像采集過程的結(jié)束。
實(shí)現(xiàn)采集的軟件設(shè)計(jì)可在ＭＡＸ＋ｐｌｕｓＩＩ環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)的主要工作是ＣＰＬＤ對(duì)ＯＶ９１２０的配置。在開始充電時(shí)，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。ＣＰＬＤ的全局時(shí)鐘可用２４ＭＨｚ的晶振電路產(chǎn)生。配置時(shí)首先配置ＳＣＣＢ，配置完畢后將ＳＣＣＥ置１。當(dāng)接收到ＤＳＰ的開始采集信號(hào)后，根據(jù)同步信號(hào)的狀態(tài)來判定是否開始采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)的同時(shí)可將數(shù)據(jù)送往ＳＲＡＭ。當(dāng)ＤＳＰ接收到ＣＰＬＤ的讀取信號(hào)后，即可開始讀取數(shù)據(jù)，并在ＤＳＰ中完成圖像的處理。采集處理的部分主程序如下：
ｒｅｓｅｔ２：ｐｒｏｃｅｓｓ（ｒｅｓｅｔ_ｉ,ｎ１,ｃｌｋ)
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ ｒｅｓｅｔ_ｉ＝‘０’ｔｈｅｎ ｓｃｃｅ_ｐ＜＝‘１’；
ｅｌｓｅ
ｉｆ（ｎ１＝‘１’ ｏｒ ｍ１＝‘１’）ｔｈｅｎ
ｓｃｃｅ_ｐ＜＝‘１’;
ｅｌｓｅ ｓｃｃｅ ｐ＜＝‘０’;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｅｓｅｔ２;
ｃｌｋ１: ｐｒｏｃｅｓｓ(ｎ１,ｃｌｋ)
ｖａｒｉａｂｌｅ ａ: ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ ２５４ ｔｏ ０;
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ(ｓｉｏ_ｃ_ｓｔａｒｔ＝‘０’ ＯＲ ｎ１＝‘１’) ｔｈｅｎ
ｑ＜＝‘１’;ａ:＝０;
ｅｌｓｅ
ｉｆ(ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝‘１’) ｔｈｅｎ
ｉｆ(ｓｉｏ_ｃ ｓｔａｒｔ＝‘１’ ａｎｄ ｎ１＝‘０’) ｔｈｅｎ
ｉｆ ａ＜２５４ ｔｈｅｎ; ａ:＝ａ＋１;
ｅｌｓｅ ａ:＝１;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｉｆ ａ＜１２７ ｔｈｅｎ ｑ＜＝‘０’;
ｅｌｓｅ ｑ＜＝‘１’; ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｉｆ;
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｌｋ１;
ｌｏｃｋ:ｐｒｏｃｅｓｓ(ｓｉｏ_ｃ_ｓｔａｒｔ,ｑ)
ｖａｒｉａｂｌｅ ｎ: ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ ８ ｔｏ ０;
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ( ｓｉｏ_ｃ_ｓｔａｒｔ＝‘０’ ｔｈｅｎ ｌｏａｄ＜＝‘１’;ｎ:＝０;
ｅｌｓｅ
ｉｆ (ｑ ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｑ＝‘０’） ｔｈｅｎ
ｉｆ ｎ＜８ ｔｈｅｎ ｎ?＝ｎ＋１；
ｌｏａｄ＜＝‘０’；
ｅｌｓｅ ｎ：＝０；ｌｏａｄ＜＝‘１’；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｌｏｃｋ；
ｒｅｇ１： ｐｒｏｃｅｓｓ（ｎ１，ｑ，ｌｏａｄ）
ｖａｒｉａｂｌｅ ｐｐ：ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(７ ｄｏｗｎｔｏ ０);?
ｖａｒｉａｂｌｅ ｂ：ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ ７ ｔｏ ０；
ｖａｒｉａｂｌｅ ｃ：ｉｎｔｅｇｅｒ ｒａｎｇｅ １３ ｔｏ ０；
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ（ｎ１＝‘１’ｏｒ ｒｅｓｅｔ＿ｉ＝‘０’） ｔｈｅｎ ｐ＜＝‘１’；ｃ：＝０； ｂ：＝０；ＱＢ＜＝‘０’；
ｅｌｓｅ
ｉｆ（ｑ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｑ＝‘０’）ｔｈｅｎ
ｉｆ ｌｏａｄ＝‘１’ ｔｈｅｎ；
ｃ：＝ｃ＋１?
ｉｆ ｃ＜１３ ｔｈｅｎ
ｉｆ ｃ＝１ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″１１００００１０″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝２ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″００００１１００″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝３ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″００１０１００１″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝４ ｔｈｅｎ
ｐｐ?＝″１１００００１０″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝５ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″００００１１０１″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝６ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″１０００００００″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝７ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″１１００００１０″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝８ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″０００１０００１″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝９ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″１０００００００″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝１０ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″１１００００１０″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝１１ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″０００１００１１″；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝１２ ｔｈｅｎ
ｐｐ：＝″０００１０１１１″?
ｅｎｄ ｉｆ；
ｂ：＝０；ｐ＜＝ｐｐ（７）；
ｅｌｓｉｆ ｃ＝１３ ｔｈｅｎ
ｐ＜＝‘０’； ＱＢ＜＝‘１’；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｌｓｅ
ｉｆ ｂ＜７ ｔｈｅｎ ｂ：＝ｂ＋１；
ｐｐ（７ ｄｏｗｎｔｏ １）：＝ｐｐ（６ ｏｗｎｔｏ ０）；?
ｐ＜＝ｐｐ（７）；?
ｅｌｓｅ ｐ＜＝‘１’；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｒｅｇ１；
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