CMOS圖像傳感器芯片OV5017及其應(yīng)用

摘要：闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征，詳細(xì)介紹了CMOS黑白圖像傳感芯片OV5017的性能與使用特點，討論了OV5017在圖像采集中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器 OV5017 圖像采集

1 CMOS圖像傳感器的一般特征

目前，CCD（電荷耦合器件）是主要的實用化固態(tài)圖像傳感器件，它具有讀取噪聲低、動態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點。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，諸如定時產(chǎn)生、驅(qū)動放大、自動曝光控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號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現(xiàn)單片一體化，因而具有體積大、功耗高等缺點。

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。實際上，CMOS圖像傳感器是一個較完成的圖像系統(tǒng)（Camera on Chip），通常包括：一個圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、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圖像傳感器將整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有以下優(yōu)點：

（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

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，最小照度為0.5lux@f1.4；

(4)幀頻50時，峰值功耗小于100mW。

OV5017輸出模擬視頻信號，格式為逐行掃描。OV5017內(nèi)部嵌入了一個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，還提供像素時鐘PCLK、水平參考信號HREF、垂直同步信號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，每個子塊大小為24×18，可以在整個圖像的局部開窗，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、曝光時間、增益控制、Gamma校正、圖像開窗等均可通過對芯片內(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寄存器讀取才能實現(xiàn)。

芯片內(nèi)部有11個8位寄存器，通過對地址線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。在對寄存器進(jìn)行讀（或?qū)懀r，應(yīng)使片選CSB與輸出使能OEB（或定使能WEB）有效。

地址號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，芯片向外輸出數(shù)據(jù)視頻流。

地址號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。

地址號0010的寄存器為曝光控制寄存器，它是讀寫的，可選擇自動曝光，也可選擇手工曝光。曝光時間控制在1幀至1/100幀之間。

地址號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，增益控制在0～18dB之間。

地址號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0101的寄存器為雜項控制寄存器，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窗口。

地址號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芯片內(nèi)視頻數(shù)據(jù)端口，即地址號為10xx的寄存器的讀取來實現(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個像素輸出的時序。根據(jù)圖2所示時序，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，因此加一個鎖存器將它們分開。在讀寫OV5017的內(nèi)部寄存器時，需分兩個操作進(jìn)行，即先選擇寄存器，再讀定該寄存器。同時，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總線隔離。

系統(tǒng)讀取圖像的過程為：

（1）對譯碼與時序發(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向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號，通知開始采集圖像；

（5）譯碼與時序發(fā)生器使能總線隔離，并根據(jù)OV5017輸出的參考信號，即VSYNC、HREF與PCLK，生成圖像存儲器的片選、寫及地址信號。這樣數(shù)字圖像即以連續(xù)的方式存入圖像存儲器中；

（6）TMS320C31向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號，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可訪問除圖像存儲器與OV5017以外的其他存儲器或端口。

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。同時，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。