基于I2C總線的CMOS圖像傳感器接口電路設(shè)計(jì)

1引言

數(shù)碼相機(jī)等圖像消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展，這使得圖像傳感器和數(shù)碼相機(jī)專用集成芯片的研制獲得巨大的市場支持。目前廣泛使用的數(shù)碼相機(jī)圖像傳感器主要是以下兩種:CCD和CMOS。CCD圖像傳感器具有技術(shù)成熟、圖像噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但由于制作工藝復(fù)雜，與標(biāo)準(zhǔn)工藝不兼容，且需要高電壓供電，芯片功耗大，目前僅在高級(jí)型數(shù)碼相機(jī)市場上占有一席之地。而CMOS圖像傳感器采用了CMOS工藝，可以將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上，因而具有集成度高、功耗低、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。隨著噪聲消除技術(shù)的改進(jìn)，目前CMOS圖像傳感器正由中、低檔數(shù)碼相機(jī)向高級(jí)型數(shù)碼相機(jī)發(fā)展。

現(xiàn)在的CMOS圖像傳感器芯片大都把I2C總線的一個(gè)子集作為控制接口(如Motorola公司的MCM20027,Omnivision公司的OV9620等),因而用戶可以很方便地對芯片進(jìn)行編程操作。與其他串行總線相比，I2C總線以兩根連線實(shí)現(xiàn)了全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行擴(kuò)展，適用于消費(fèi)電子、通信電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的低速器件。I2C總線由雙向數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL組成川，用戶使用集電極開路門以“線與”方式進(jìn)行總線連接。圖1為I2C總線的通信協(xié)議示意圖，包括開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)和數(shù)據(jù)有效等狀態(tài)。當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時(shí)，SDA由‘1跳變到‘0，表示開始信號(hào)；當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時(shí)，SDA由‘0跳變到‘l，表示結(jié)束信號(hào)：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，SDA在時(shí)鐘高電平時(shí)有效，低電平時(shí)更換數(shù)據(jù)。開始和結(jié)束信號(hào)均由主I2C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(gè)字節(jié)后面由接收端發(fā)送一個(gè)低電平的應(yīng)答信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于I2C控制總線的CMOS圖像傳感器接口電路，能夠有效控制CMOS圖像傳感器的指令，產(chǎn)生數(shù)碼相機(jī)專用集成電路其他模塊的同步時(shí)序，在MCU的控制下完成取景和拍照操作，并支持多種規(guī)格的CMOS圖像傳感器和液晶顯示器。

2頂層設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的系統(tǒng)要求[2],CMOS圖像傳感器接口用來控制最高達(dá)400萬像素多種規(guī)格的CMOS圖像傳感器，并且在MCU的控制下，能控制傳感器芯片的自動(dòng)／手動(dòng)曝光和自動(dòng)／手動(dòng)白平衡及其他芯片支持的功能。該接口電路能夠在取景和拍照兩種模式下工作，在取景模式下，實(shí)現(xiàn)可編程的降采樣處理，能夠輸出以4的倍數(shù)為基準(zhǔn)的任意分辨率的圖像，并接受多種規(guī)格的液晶顯示器，取景速度達(dá)到30幀／s。

根據(jù)上述功能要求將CMOS圖像傳感器接口劃分為三個(gè)模塊：主I2C總線接口模塊、寄存器文件接口和可編程降采樣模塊，其總體框圖和輸入輸出端口線如圖2所示。端口線主要有：①和MCU接口的連接，包括MCU_AB(地址總線)，MCU_DB(數(shù)據(jù)總線)，MCU_nWR(寫使能)，MCU_nRD(讀位能)，MCU—nCS(MCU操作選中信號(hào))和MCUnINT(中斷信號(hào))②和CMOS圖像傳感器的連接，包括來自CMOS圖像傳感器的幀同步(VCLK)、行同步(HCLK)、像素同步(PCLK)、數(shù)據(jù)ADC(10位CMOS輸出的數(shù)值)，以及I2C總線的SDA，SCL，SCCB_E等：③和數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的其他子模塊相連，如VSYNC(幀同步)、HSYNC(行同步)、PSYNC(像素同步)、ADCOUT(輸出圖像數(shù)據(jù))。