CMOS圖像傳感器芯片OV5017及其應用

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

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(shí)用化固態(tài)圖像傳感器件，它具有讀取噪聲低、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。這樣，諸如定時(shí)產(chǎn)生、驅動(dòng)放大、自動(dòng)曝光控制、模數轉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為基礎的圖像傳感器難以實(shí)現單片一體化，因而具有體積大、功耗高等缺點(diǎn)。

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(shí)際上，CMOS圖像傳感器是一個(gè)較完成的圖像系統（Camera on Chip），通常包括：一個(gè)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。其基本結構見(jiàn)圖1。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，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（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(diǎn)

2.1 OV5017的基本性能

OV5017是美國OmniVision公司開(kāi)發(fā)的CMOS黑白圖像傳感器芯片，該芯片將CMOS光感應核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數混合輸出等功能，其輸出的視頻為黑白圖像，與CCIR標準兼容。

OV5017芯片的基本參數為：

(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(shí)，最小照度為0.5lux@f1.4；

(4)幀頻50時(shí)，峰值功耗小于100mW。

OV5017輸出模擬視頻信號，格式為逐行掃描。OV5017內部嵌入了一個(gè)8bit的A/D，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)，還提供像素時(shí)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(gè)子塊大小為24×18，可以在整個(gè)圖像的局部開(kāi)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(shí)間、增益控制、Gamma校正、圖像開(kāi)窗等均可通過(guò)對芯片內部寄存器的讀寫(xiě)進(jìn)行設置，數字視頻流的輸出也必須通過(guò)對寄存器讀取才能實(shí)現。

芯片內部有11個(gè)8位寄存器，通過(guò)對地址線(xiàn)A[3..0]的設置來(lái)選擇寄存器，通過(guò)讀寫(xiě)數據線(xiàn)[7..0]來(lái)讀取或設置寄存器。在對寄存器進(jìn)行讀（或寫(xiě)）時(shí)，應使片選CSB與輸出使能OEB（或定使能WEB）有效。

地址號10xx的寄存器為視頻數據端口，它是只讀的，當選中并讀取它時(shí)，芯片向外輸出數據視頻流。

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(xiě)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(xiě)的，可選擇自動(dòng)曝光，也可選擇手工曝光。曝光時(shí)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(xiě)的，當手工曝光時(shí)，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(xiě)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(xiě)的，負責設置Gamma校正、圖像象、背景光補償、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(xiě)的，負責設置窗口的水平尺寸、水平位置、垂直尺寸、垂直位置，以確定圖像中的一個(gè)窗口。

地址號1110與1111的寄存器保留，用于測試。

2.3 數字圖像的輸出

OV5017中數字視頻流的輸出必須通過(guò)對芯片內視頻數據端口，即地址號為10xx的寄存器的讀取來(lái)實(shí)現。其步驟為：

（1）設置地址總線(xiàn)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事先設置窗口控制寄存器。

數字視頻流輸出的時(shí)序如圖2所示。圖中，

TPHD：TCLK下降沿至HREF有效，最大25ns；

TPDD：PCLK上升沿至視頻數據有效，最大25ns；

VD：視頻數據。

因篇幅所限，這里僅給出圖像一行中4個(gè)像素輸出的時(shí)序。根據圖2所示時(shí)序，外部電路就可以讀取芯片輸出的圖像數據。

3 基于OV5017的圖像采集系統

基于OV5017的圖像采集系統結構如圖3所示。

在本系統中，OV5017作為系統的圖像傳感器，其內部將獲取的圖像采集量化，在外部邏輯的控制下輸出數字圖像，存入圖像存儲器。這里，OV5017的管腳A[3..0]與D[3..0]復用共同的外部數據線(xiàn)，因此加一個(gè)鎖存器將它們分開(kāi)。在讀寫(xiě)OV5017的內部寄存器時(shí)，需分兩個(gè)操作進(jìn)行，即先選擇寄存器，再讀定該寄存器。同時(shí)，為避免總線(xiàn)沖突，TMS320C31的低8位數據線(xiàn)與OV5017的數據之間和TMS320C31的地址線(xiàn)與采集地址之間各加了一個(gè)總線(xiàn)隔離。

系統讀取圖像的過(guò)程為：

（1）對譯碼與時(shí)序發(fā)生器初始化；

（2）視需要設置OV5017的內部控制寄存器，如曝光控制、增益控制、窗口控制等；

（3）選擇OV5017的視頻數據端口，即寄存器10xx；

（4）TMS320C31向譯碼與時(shí)序發(fā)生器發(fā)信號，通知開(kāi)始采集圖像；

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

（6）TMS320C31向譯碼與時(shí)序發(fā)生器發(fā)信號，通知停止采集圖像，OV5017則停止輸出數字圖像。

在圖像采集過(guò)程中，TMS320C31可訪(fǎng)問(wèn)除圖像存儲器與OV5017以外的其他存儲器或端口。

該系統由于省略了A/D等器件，因而具有結構簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于OV5017內部嵌入曝光、增益、開(kāi)窗等控制電路，并且編程方便，這就提高了采集系統在功能上的靈活性。本系統適合于監控、多媒體等應用范圍。