嵌入式系統中CMOS圖像傳感器接口技術(shù)

摘　要：提出了CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器在嵌入式系統中的接口技術(shù)，通過(guò)設計軟件驅動(dòng)使嵌入式處理器能夠控制CMOS圖像傳感器圖像數據自動(dòng)采集。并對CMOS圖像傳感器采集的數據進(jìn)行插值和自動(dòng)白平衡處理。此接口模塊已經(jīng)成功地應用于二維條碼識讀器的圖像采集模塊中，取得了良好的效果。
關(guān)鍵詞：CMOS圖像傳感器；嵌入式Linux；總線(xiàn)；嵌入式系統

背　景

目前數字攝像技術(shù)，主要采用兩種方式：一種是使用CCD(電容耦合器件)圖像傳感器，另一種是使用CMOS(互補金屬氧化物半導體)圖像傳感器。

CCD圖像傳感器具有讀取噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、響應靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但CCD技術(shù)難以與主流的CMOS技術(shù)集成于同一芯片之中。因而CCD圖像傳感器具有體積大、功耗高等缺點(diǎn)。

CMOS圖像傳感器是近些年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，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、可編程功能和模數轉換器)集成在同一塊芯片上。因此與CCD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)。對于手持式設備來(lái)說(shuō)，體積和功耗是進(jìn)行軟硬件設計時(shí)重點(diǎn)考慮的問(wèn)題，因此CMOS圖像傳感器應用在手持式設備當中將會(huì )有廣闊的前景。

文中將就嵌入式系統中設計CMOS圖像傳感器的圖像采集設備硬件接口技術(shù)和軟件驅動(dòng)進(jìn)行研究。

系統硬件設計

嵌入式系統硬件平臺選擇
摩托羅拉MC9328MX1處理器基于A(yíng)RM920T嵌入式處理器內核，能工作于高達200MHz的主頻。它集成了許多模塊，支持接口模塊、GPIO(General Purpose I/O)接口模塊、時(shí)鐘產(chǎn)生模塊(CGM，Clock Generation Module)等，為各種外設提供了靈活的接口控制功能。摩托羅拉MC9328MX1處理器內置的CSI(CMOSSensor Interface)模塊提供了時(shí)序控制模塊，可以適應不同CMOS圖像傳感器的要求。

COMS圖像傳感器的選擇
ICM105C是IC Media公司生產(chǎn)的一種單芯片數字彩色圖像器件，使用1/4英寸的光學(xué)系統。它內置了一個(gè)640480(650490物理像素)傳感器陣列、數模轉換器和相關(guān)雙采樣電路。它的控制部分使用I2C總線(xiàn)，只需要一個(gè)I2C總線(xiàn)的從設備地址就可以對其內部的控制和狀態(tài)寄存器進(jìn)行設置和讀取。ICM105C輸出的是貝葉爾格式的圖像數據，其中的RGB顏色分量可以被數字增益所調整，可以反饋給嵌入式處理器進(jìn)行色彩處理或壓縮。

接口電路的設計
接口電路設計主要應考慮圖像傳感器的電源驅動(dòng)控制電路的接口以及數據輸出電路的接口。ICM105C使用3V的電源驅動(dòng)、24MHz的時(shí)鐘頻率，輸出8位的數據，控制部分主要使用總線(xiàn)，要保證ICM105C正常工作必須提供這些條件。

(1)電源驅動(dòng)電路的設計。由于CMOS圖像傳感器是電源敏感元件，如果電源不穩會(huì )給成像效果造成很大影響。ICM105C對于供電電壓的要求為3V，最小2.8V，最大3.1V，并且分開(kāi)了數字電源和模擬電源。但是主處理板只提供了單3V的電源，而且這個(gè)電源同時(shí)提供給主處理板芯片使用，所以必須采取相應的機制保證電源的穩定和數字電源和模擬電源的隔離，同時(shí)本系統的另一個(gè)設計目標是小型化和簡(jiǎn)單化。為了兼顧這兩者的要求，電源設計舍棄了使用復雜的穩壓芯片的方案，僅使用電容和電感來(lái)穩定電壓和消除數字電源和模擬電源之間的干擾，其電路圖如圖1 所示。

圖1 　電源驅動(dòng)原理圖

VDD 3V是主板提供的電源，VCCD和VCCA分別是提供給ICM105C 的數字電源和模擬電源，其中L1，L4，C1，C3起到隔離數字電源和模擬電源及濾波的作用。數字地和模擬地也用電感消除干擾。

(2)數據輸出接口電路設計。摩托羅拉MC9328MX1處理器內置的CSI 模塊提供了時(shí)序控制模塊，這樣可以簡(jiǎn)化電路的設計，只需要將8位數據線(xiàn)和輸出時(shí)鐘還有場(chǎng)頻、行頻和像素時(shí)鐘與CSI 模塊連接即可保證處理器的正確采集數據。具體的邏輯連接關(guān)系如圖2 所示。

圖2 　ICM105C和主處理板的邏輯連接圖

其中時(shí)鐘線(xiàn)是從MC9328MX1輸入24MHz的時(shí)鐘信號，PCLK是CMOS輸出的像素時(shí)鐘，VSYNC是場(chǎng)頻，HSYNC是行頻，DOUT[0-7]為輸出的數據。其時(shí)序關(guān)系如圖3所示。DOUT[7：0]在PCLK時(shí)鐘上升沿有效，HSYNC和VSYNC處于低電平時(shí)有效。為了達到這種時(shí)序效果需要對芯片的某些引腳進(jìn)行正確地初始化設置。ICM105C的引腳37控制數據的同步模式，用上拉電阻接高電平，這樣可以使傳感器輸出HSYNC 和VSYNC 同步信號。

圖3 　ICM105C的數據輸出時(shí)序圖

HSYNC和VSYNC的極性也可以進(jìn)行配置，將引腳46和47接地，這樣HSYNC和VSYNC在有效時(shí)為低電平。引腳14為時(shí)鐘選擇信號，將其接地表示使用外部時(shí)鐘，這樣內部晶振輸入引腳12、13就可以懸空。

(3)控制電路設計。要使傳感器正常工作，必須對芯片內部的寄存器進(jìn)行初始化。初始化的工作必須通過(guò)傳感器的I²C接口進(jìn)行。ICM105C提供了一種硬件初始化的方式，如果引腳33在芯片啟動(dòng)時(shí)為高電平，那么傳感器的I2C接口將首先工作在主設備模式下，并且試圖從外部的串行EEPROM中讀取初始化數據。然后，傳感器又回到正常的從設備工作模式下。為了使接口電路簡(jiǎn)單化，直接用主處理板的I2C 接口來(lái)控制傳感器，將此引腳接地，使其工作在從模式，這樣EEPROM 部分的電路就可以舍棄。

軟件驅動(dòng)

CMOS圖像傳感器需要嵌入式系統的軟件驅動(dòng)才能正常工作，并輸出正確的圖像數據。由于處理端的嵌入式系統采用的是嵌入式Linux 操作系統，I²C接口的驅動(dòng)程序已經(jīng)集成在操作系統內部，中斷資源可以作為資源來(lái)申請，操作系統還提供了調用其它資源的接口函數，這極大地方便了驅動(dòng)程序的編寫(xiě)。在本次設計中采用了Linux系統下模塊形式的字符設備驅動(dòng)程序的編寫(xiě)方法。整個(gè)軟件驅動(dòng)需要完成兩個(gè)功能模塊：接口的初始化模塊和接收輸出的數據。

初始化

(1) CSI模塊的初始化。根據ICM105C芯片的數據手冊，CSI 的重置信號需要保持有效直至輸入電壓保持恒定大于兩個(gè)時(shí)鐘周期，圖4是時(shí)序圖。

圖4 軟重置信號時(shí)序圖

由于主處理板是一上電就開(kāi)始工作，而ICM105C的驅動(dòng)程序必須在處理板上的操作系統啟動(dòng)后才開(kāi)始工作。尤其是時(shí)鐘信號只有在驅動(dòng)加載后才開(kāi)始提供給ICM105C ，要造成重置信號的時(shí)序效果，必須使用一個(gè)軟件控制的重置信號，在時(shí)鐘輸出到傳感器后至少兩個(gè)時(shí)鐘周期保持有效，然后拉高電平使之無(wú)效。在設計中，采用了摩托羅拉MC9328MX1處理器一個(gè)GPIO端口來(lái)實(shí)現軟重置信號。

(2)設置時(shí)鐘，初始化I²C接口。ICM105C需要24MHz的時(shí)鐘，摩托羅拉的MC9328MX1處理板的外頻是96MHz ，因此需要四分之一的主頻。只需要設置相應的時(shí)鐘產(chǎn)生模塊寄存器的值即可保證輸出24MHz。I²C總線(xiàn)的兩個(gè)信號線(xiàn)SDA，SCL 需要設置相應GPIO的兩個(gè)引腳，使其用來(lái)進(jìn)行I²C傳輸。還需要掛載Linux操作系統的I²C驅動(dòng)，編寫(xiě)I²C讀和寫(xiě)的功能函數。需要注意的是ICM105C的I2C地址值為21H。

(3)初始化CMOS傳感器。ICM105C內部控制和狀態(tài)寄存器通過(guò)I²C 總線(xiàn)來(lái)初始化CMOS，初始化序列(寄存器的地址、值序列)由IC Media公司提供，初始化完成后，就可以接收到數據和時(shí)序信號了。

接收數據
接收數據是驅動(dòng)程序中最重要的一個(gè)部分，它需要協(xié)調好中斷和DMA 傳輸，保證數據的正確接收，并且在出錯時(shí)能夠正確地恢復。這一部分的軟件流程如圖5所示。

圖5 　接收數據軟件流程圖

其中在開(kāi)始階段申請中斷和DMA資源并申請內存空間存放接收的數據。中斷的主要任務(wù)是在每一幀開(kāi)始時(shí)，開(kāi)始DMA傳輸。DMA傳輸主要將從FIFO中讀出數據保存在內存中，并處理可能出現的錯誤。本例中一旦出現DMA傳輸錯誤就丟棄該幀。

數據處理
下面就是數據的處理模塊。由于接收到的數據還是原始數據，需要處理才能形成最終的圖像數據。

具體的處理過(guò)程如下：

(1)線(xiàn)性插值。由于制作工藝的問(wèn)題，CMOS圖像傳感器中的感光點(diǎn)只能放置一種濾色片，也就是說(shuō)它的每個(gè)物理像素點(diǎn)只能感應R 或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數據(如圖6所示)。它必須經(jīng)過(guò)插值運算才能得到每個(gè)像素的RGB值。

圖6 　貝葉爾格式(Bayer pattern)

由上圖可以看出，每個(gè)像素點(diǎn)都有8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)，而且這8個(gè)像素點(diǎn)的顏色分量與此像素點(diǎn)不同。插值算法就是依據相鄰的像素點(diǎn)的顏色值的空間相關(guān)性原理進(jìn)行的。其處理方法如下：

a. 只有R顏色分量的像素點(diǎn)，其G顏色分量由周?chē)?個(gè)G的平均值計算得出。B顏色分量由周?chē)?個(gè)B的平均值計算得出。

b. 只有B顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由周?chē)?個(gè)R的平均值計算得出，G顏色分量由周?chē)?個(gè)G平均值計算得出。

c. 只有G顏色分量的像素點(diǎn)，其R顏色分量由上下2個(gè)R的平均值計算得出，B顏色分量由左右2個(gè)B平均值計算得出。經(jīng)過(guò)插值運算，每個(gè)像素點(diǎn)的RGB都得出了，這就形成了完整的圖像數據。

(2)白平衡。任何物體在不同的光線(xiàn)下具有不同的色溫。所謂色溫，簡(jiǎn)而言之，就是定量地以開(kāi)爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍色分量就越多；色溫越低，物體的紅色分量就越多。由于人眼具有自調節性，所以即使物體色溫不同，也能正確識別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒(méi)有自調節性，所以當在戶(hù)外日光下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì )因為色溫高而偏藍。而在室內的熒光燈下拍攝物體時(shí)，物體的顏色就會(huì )因為色溫低而偏紅。要得到正確的顏色，必須進(jìn)行白平衡。白平衡的基本原理是調整顏色的色溫，使其保持在一個(gè)特定的范圍內。在此接口的應用中采用了一個(gè)較簡(jiǎn)單的白平衡方法，其處理過(guò)程如下：

a. 首先求出一幅圖像的數據每個(gè)顏色分量的平均值：

b. 求出最大的平均值：

c. 求出每個(gè)顏色數據的白平衡后的校正值：

經(jīng)過(guò)這樣的運算就得到了白平衡后的數據。目前白平衡還沒(méi)有很好的算法來(lái)處理一切情況，這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的算法。

結　論

文中提出的ICM105C圖像傳感器的接口技術(shù)已經(jīng)成功應用在二維條碼識讀器當中，為了實(shí)際應用的需要，ICM105C的電路模塊被設計成只有35mm35mm大小，通過(guò)一個(gè)20芯的排線(xiàn)與主處理板連接。正常工作時(shí)功耗低于50mW，采集的圖像數據良好，而且可以通過(guò)軟件來(lái)控制圖像傳感器的工作方式，非常適用于手持式設備的應用。