基于I2C總線(xiàn)的CMOS圖像傳感器接口電路設計

1引言

數碼相機等圖像消費類(lèi)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碼相機專(zhuān)用集成芯片的研制獲得巨大的市場(chǎng)支持。目前廣泛使用的數碼相機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)，但由于制作工藝復雜，與標準工藝不兼容，且需要高電壓供電，芯片功耗大，目前僅在高級型數碼相機市場(chǎng)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(zhù)噪聲消除技術(shù)的改進(jìn)，目前CMOS圖像傳感器正由中、低檔數碼相機向高級型數碼相機發(fā)展。

現在的CMOS圖像傳感器芯片大都把I2C總線(xiàn)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(hù)可以很方便地對芯片進(jìn)行編程操作。與其他串行總線(xiàn)相比，I2C總線(xiàn)以?xún)筛B線(xiàn)實(shí)現了全雙工同步數據傳送，可以極方便地構成多機系統，并進(jìn)行擴展，適用于消費電子、通信電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的低速器件。I2C總線(xiàn)由雙向數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL組成川，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。圖1為I2C總線(xiàn)的通信協(xié)議示意圖，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‘l，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I2C產(chǎn)生，通過(guò)SDA傳輸的數據以字節(8—bit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。

本文設計了一種基于I2C控制總線(xiàn)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)生數碼相機專(zhuān)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，并支持多種規格的CMOS圖像傳感器和液晶顯示器。

2頂層設計

根據所設計的數碼相機專(zhuān)用集成電路芯片的系統要求[2],CMOS圖像傳感器接口用來(lái)控制最高達400萬(wàn)像素多種規格的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)現可編程的降采樣處理，能夠輸出以4的倍數為基準的任意分辨率的圖像，并接受多種規格的液晶顯示器，取景速度達到30幀／s。

根據上述功能要求將CMOS圖像傳感器接口劃分為三個(gè)模塊：主I2C總線(xiàn)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(xiàn)如圖2所示。端口線(xiàn)主要有：①和MCU接口的連接，包括MCU_AB(地址總線(xiàn))，MCU_DB(數據總線(xiàn))，MCU_nWR(寫(xiě)使能)，MCU_nRD(讀位能)，MCU—nCS(MCU操作選中信號)和MCUnINT(中斷信號)②和CMOS圖像傳感器的連接，包括來(lái)自CMOS圖像傳感器的幀同步(VCLK)、行同步(HCLK)、像素同步(PCLK)、數據ADC(10位CMOS輸出的數值)，以及I2C總線(xiàn)的SDA，SCL，SCCB_E等：③和數碼相機專(zhuān)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(輸出圖像數據)。