ARM 9平臺下的CMOS圖像傳感器數據采集系統

引言

隨著(zhù)CMOS(互補金屬氧化物半導體)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。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圖像傳感器的應用已經(jīng)變得越來(lái)越廣泛。

但是，目前市場(chǎng)上的大部分基于CMOS圖像傳感器的圖像采集系統都是采用DSP與圖像傳感器相連，由DSP來(lái)控制圖像傳感器，然后由DSP采集到圖像后再通過(guò)USB接口將圖像數據傳輸到PC機進(jìn)行后續的處理。這樣的圖像采集系統成本較高，功耗大，而且體積上也有一定的限制，并不適合一些簡(jiǎn)單的應用。

本文設計了一種基于S3C2410的CMOS圖像傳感器數據采集系統。該系統成本更為低廉、結構更為簡(jiǎn)單、設計更為新穎。

1CMOS圖像傳感器結構性能及工作原理

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

OV7141的主要特性參數如下：圖像尺寸為3。6mm×2。7mm；像素尺寸為5。6μm×5。6μm；像素數為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鏡像陣列的設計主要建立在逐行傳送的掃描場(chǎng)讀出系統和帶同步像素讀出電路的電子快門(mén)之上。而電子曝光控制算法(或系統規則)則建立在整個(gè)圖(物)像亮度基礎之上。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(xiàn)不適當時(shí)，則應通過(guò)AEC(自動(dòng)曝光控制)白／黑比調節來(lái)使其滿(mǎn)足應用要求。圖像采集窗口可以任意設定，數據輸出方式可以選擇逐行工作模式或隔行工作模式。OV7141內部嵌入了一個(gè)8位A／D轉換器，因而可以同步輸出8位的數字視頻流D[7…0]。在輸出數字視頻流的同時(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。像素數據輸出與PCLK、HREF、VSYNC的時(shí)序關(guān)系如圖1和圖2所示。

2S3C2410簡(jiǎn)介

Samsung公司推出的16／32位RISC處理器S3C2410，為手持設備和一般類(lèi)型應用提供了低價(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)系統的成本，S3C2410提供了以下豐富的內部設備：分開(kāi)的指令Cache和數據Cache，內帶MMU、LCD控制器(支持STNTFT)，支持NANDFlash系統引導，系統管理器(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(脈寬調制)定時(shí)器，I／O端口，RTC，8通道10位A／D轉換器和觸摸屏接口，IIC-BUS接口，USB主機，USB設備，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及內部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計

接口電路的設計主要應考慮CMOS圖像傳感器與控制器S3C2410的數據輸出電路接口、控制電路接口以及IIC總線(xiàn)接口。

3。1數據接口模塊

由于CMOS圖像傳感器的每一個(gè)成像單元像DRAM內存的存儲單元一樣被單獨編址，且OV7141內部嵌入了一個(gè)8位A／D轉換器，因而可以同步輸出8位的數字視頻流D[7…0]。因此，與其數據線(xiàn)連接就和DRAM一樣，將數據線(xiàn)和S3C2410的數據總線(xiàn)直接連接即可。線(xiàn)路連接如圖3所示。

但CMOS圖像傳感器也有與內存不同的地方：內存在計算機系統中總是作為一個(gè)從設備來(lái)對待，只有控制器對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)它才打開(kāi)數據總線(xiàn)，其他時(shí)刻為斷開(kāi)狀態(tài)(高阻態(tài))；而OV7141圖像傳感器一旦開(kāi)始采集圖像數據，它根本不管系統中的主控制器是否對其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，總是按照它自己的時(shí)序向其數據總線(xiàn)輸出數據，這樣就可能造成數據總線(xiàn)的沖突問(wèn)題。為了避免這種總線(xiàn)沖突問(wèn)題，需要在系統控制器的數據總線(xiàn)與OV7141圖像傳感器的數據總線(xiàn)之間接入一個(gè)具有三態(tài)功能的總線(xiàn)驅動(dòng)器，該驅動(dòng)器的使能端／OE由S3C2410的存儲器單元片選信號nGCS1來(lái)選通，這樣，控制器S3C2410對圖像傳感器的讀寫(xiě)就如同讀寫(xiě)內存一樣。

3。2控制接口模塊

當CMOS圖像傳感器工作于逐行掃描方式時(shí)，在輸出一幀同步信號后將輸出一幀的數據，在每一行數據前也會(huì )輸出行同步信號，每一個(gè)像素有效信號觸發(fā)一個(gè)點(diǎn)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標示一幀數據的開(kāi)始。然后，在每一個(gè)PCLK信號的作用下，傳感器順序地從左到右依次輸出每一個(gè)像素數據。當輸出的像素數據為有效數據時(shí)，HREF為有效電平。當一幀的所有數據都輸出后，則又產(chǎn)生一個(gè)幀同步信號VSYNC，開(kāi)始下一幀數據的傳輸。根據以上時(shí)序圖的特定，可以采用DMA的傳送方式來(lái)實(shí)現圖像傳感器到DRAM的數據傳輸?？梢允褂脦叫盘朧SYNC來(lái)作為主控制器的一個(gè)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(gè)外部中斷輸入信號，以統計每行數據的輸出，用輸出數據同步信號PCLK作為DMA傳送的請求信號(Request)，以請求傳輸一個(gè)像素的數據信息。連接電路如圖4所示。

3。3IIC總線(xiàn)接口模塊

CMOS圖像傳感器目前普遍采用IIC總線(xiàn)功能集中的一個(gè)子集，因此該接口比一個(gè)完整的主IIC總線(xiàn)更簡(jiǎn)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(jiàn)圖4。

IIC總線(xiàn)由雙向數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL組成，用戶(hù)使用集電極開(kāi)路門(mén)以“線(xiàn)與”方式進(jìn)行總線(xiàn)連接。IIC總線(xiàn)的通信協(xié)議見(jiàn)圖5，包括開(kāi)始信號、結束信號、應答信號和數據有效等狀態(tài)。當SCL持續為高電平時(shí)，SDA由“1”跳變到“0”，表示開(kāi)始信號；當SCL持續為高電平時(shí)，SDA由“0”跳變到“1”，表示結束信號；在數據傳輸過(guò)程中，SDA在時(shí)鐘高電平時(shí)有效，低電平時(shí)更換數據。開(kāi)始和結束信號均由主IIC產(chǎn)生，通過(guò)SDA傳輸的數據以字節(8bit)為單位，高位在前，低位在后，在每個(gè)字節后面由接收端發(fā)送一個(gè)低電平的應答信號。

其讀寫(xiě)周期如下：當要進(jìn)行IIC總線(xiàn)寫(xiě)操作時(shí)，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫(xiě)地址，緊接著(zhù)發(fā)送需要寫(xiě)的寄存器的地址(sub_address)，再發(fā)送數據(data)；當進(jìn)行IIC總線(xiàn)讀操作時(shí)，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫(xiě)地址，緊接著(zhù)發(fā)送需要寫(xiě)的寄存器的地址(sub_address)，再發(fā)送CMOS傳感器特定ID讀地址，最后接收數據(data)。對于不同的CMOS傳感器，它們的ID地址是不同的。OV7141為42H(寫(xiě))，43H(讀)。

4CMOS圖像傳感器的軟件驅動(dòng)設計

CMOS圖像傳感器需要控制器S3C2410的驅動(dòng)才能正常工作，并輸出正確的圖像數據。為了實(shí)現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是一種快速傳送數據的機制，它不需要CPU的參與而實(shí)現高速外設和主存儲器之間自動(dòng)成批交換數據的操作方式。由于處理端采用的是S3C2410，DMA、中斷以及IIC總線(xiàn)接口都已經(jīng)集成在控制器內部，因此，整個(gè)軟件驅動(dòng)只需要完成兩個(gè)功能模塊的設置：對主控制器S3C2410的設置；通過(guò)SCCB口對OV7141的設置。

4。1對主控制器S3C2410的設置

a)設置DMA的源地址為控制總線(xiàn)驅動(dòng)器的那一個(gè)地址，每一次傳輸該地址值不變化；

b)設置DMA的目標地址為要保存圖像數據的內存區域的起始地址，每一次傳輸該值加1；

c)設置DMA的計數器為有效窗口的像素數的個(gè)數；

d)設置DMA中斷為軟件觸發(fā)，且設置PCLK、VSYNC、HREF為外部中斷觸發(fā)信號，以控制圖像數據的輸出。

4。2通過(guò)SCCB接口對OV7141的設置

a)讀OV7141的1C、1D寄存器，判斷芯片是否正常；

b)設置13寄存器為0x07，允許AGC，允許白平衡；

c)設置14寄存器為0x00，設置有效窗口為640×480像素(VGA)；

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

e)設置28寄存器為0x60，設置為黑白模式和逐行掃描模式。

5實(shí)驗與討論

本系統中，圖像傳感器的時(shí)鐘由外接24MHz的晶振供給，主控制器S3C2410工作頻率為200MHz，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，數據保存在系統中一片SDRAM中。實(shí)驗表明，系統每秒能穩定采集到15幀圖像數據。若要提高圖像采集的速率，可以再加入一塊雙端口SDRAM作為數據輸出緩存，這樣速率有所提高，但雙端口SDRAM價(jià)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。

本設計是基于32位處理器的嵌入式圖像采集系統。設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，構成一個(gè)簡(jiǎn)單的圖像采集系統，因而與其他大多數基于PC機的圖像采集系統相比具有結構簡(jiǎn)單、成本低、體積小、功耗低、通用性好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合一些對體積、成本、功耗有較高要求的應用，如目前市場(chǎng)上的指紋識別系統等。因此，該系統具有廣泛的應用價(jià)值和一定的研究意義。