I2C總線CMOS型PB-0300數(shù)字圖像傳感器

   摘要：介紹CMOS型數(shù)字圖像傳感器PB-0300的性能特點(diǎn)、功能設(shè)置、與MCS-51系列單片機(jī)的接口電路及編程技術(shù)。

    關(guān)鍵詞：I2C總線 數(shù)字圖像 傳感器

1 功能描述

1.1 性能特點(diǎn)

PB-0300系列CMOS型有源像素?cái)?shù)字圖像傳感器，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換8、位并行數(shù)據(jù)輸出、64個(gè)內(nèi)部寄存器，采用I2C總線控制，可編程控制；可以在彩色和黑白兩種模式下工作。當(dāng)外接24MHz時(shí)鐘晶振時(shí)，可以獲得30幀/s的圖像輸出。在上電期間，自動(dòng)調(diào)入缺省參數(shù)設(shè)置，包括自動(dòng)曝光功能，所以可以不編程情況下使用傳感器。主要性能指標(biāo)如表1。

表1 主要性能指標(biāo)

1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

PB-0300由五大部分組成：數(shù)字邏輯模塊、像素陣列、列平行的增益電路和讀出電路、8位ADC、偏置DACs，如圖1所示。

主要引腳功能如表2。

表2 主要引腳功能描述

PB-0300有三種分開的供電電源：數(shù)字電源、模擬電源和傳感器陣列電源。使用時(shí)要特別注意各電源間的相互影響。

2 圖像輸出格式與時(shí)序

PB-0300控制像素?cái)?shù)據(jù)輸出的信號(hào)有：幀有效（FRAME-VALID）信號(hào)、行有效（LINE-VALID）信號(hào)、像素時(shí)鐘（PIXCLK）信號(hào)。FRAME-VALID信號(hào)控制一幀有效圖像的輸出，高電平有效；LINE-VALID信號(hào)控制每行有效信號(hào)的輸出，高電平有效；PIXCLK信號(hào)控制每個(gè)像素的輸出，當(dāng)FRAME-VALID和LINE-VALID均為高電平時(shí)，每個(gè)像素時(shí)鐘周期輸出一個(gè)8位像素信號(hào)；并行的DOUT0～DOUT7是像素?cái)?shù)據(jù)的8位輸出，它們始終和像素時(shí)鐘同步。在PIXCLK處于下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)輸出和LINE-VALID都不能改變。在默認(rèn)的VGA（640×480）下，當(dāng)每行640個(gè)有效像素信號(hào)輸出之后，LINE-VALID變?yōu)榈碗娖?，PB-0300按一定編碼方式向外輸出982個(gè)無效信號(hào)，然后再輸出像素信號(hào)。當(dāng)480行有效像素和無效信號(hào)完全輸出之后，傳感器再輸出9行空白信號(hào)。這期間FRAME-VALID為低電平，標(biāo)志著當(dāng)前幀的結(jié)構(gòu)和下一幀的開始；同時(shí)，讀入寄存器的最新值，通過對(duì)寄存器編程而改變的圖像參數(shù)在下一幀生效。信號(hào)輸出時(shí)序如圖2所示。

3 寄存器設(shè)置

PB-0300共有64個(gè)寄存器（R0-R63），地址依次為00H～3FH，在缺省情況下有自動(dòng)曝光功能；可以改變輸出圖像的大小、位置和速度；通過調(diào)節(jié)像素累積時(shí)間、ADC參考和增益值可以控制采集到的圖像亮度。下面介紹幾個(gè)主要寄存器的功能。

*復(fù)位控制寄存器（R13）

R13能夠使PB-0300復(fù)位到上電后的缺省狀態(tài)。首先向R13的最低位寫入“1”，使PB-0300處于復(fù)位狀態(tài)，然后再寫入“0”繼續(xù)工作。

*窗口位置與大小控制寄存器（R1，R2，R3，R4）

控制采集圖像窗口的位置與大小。只有在此窗口內(nèi)的像素才能有效地讀出。窗口的像素個(gè)數(shù)最大值為640×480。R1為行起始坐標(biāo)，R2為列起始坐標(biāo)，（1024-R3）為有效行數(shù)，（1024-R4）為有效列數(shù)；窗口大小的默認(rèn)值為VGA（640×480），右上角坐標(biāo)為（0，0），左下角坐標(biāo)為（639，479）。

*像素累積控制寄存器（R8，R9）

控制像素的采光時(shí)間，R8為累積幀數(shù)，R9為累積行數(shù)，實(shí)際總的累積時(shí)間，即實(shí)際處理完一幀圖像的時(shí)間為：Tint=[(R8×(1024-R3)+R9)×Trow，其中，Trow為處理完一行有效像素所用的時(shí)間。一般的R8設(shè)置為0，R9的最大值為有效圖像窗口的行數(shù)。Tint的值應(yīng)該能信號(hào)避免由于光閃爍使圖像產(chǎn)生條紋。在60Hz光閃爍頻率下，Tint必須為1/120s的整數(shù)倍；50Hz頻率下，Tint必須為1/100的整數(shù)倍。

*幀速率控制寄存器（R5，R6，R10）

控制每行和每幀有效像素信號(hào)之間的無效信號(hào)時(shí)間。當(dāng)其它圖像參數(shù)改變時(shí)，通過改變上幀速度控制寄存器的值為調(diào)節(jié)幀速率。若通過R4減小有效像素列數(shù)后，處理一行有效像素的時(shí)間將變短，幀速率將增加。這時(shí)可以調(diào)節(jié)R5的值來增加每行元效信號(hào)的輸出數(shù)量和時(shí)間，從而使幀速率保持不變；同理，若改變有效像素行數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)R6來保持幀速率。R10是通過控制PIXCLK的輸出來改變像素輸出時(shí)間的。

圖2 信號(hào)輸出時(shí)序

    *增益設(shè)置寄存器（R43，R44，R45，R46，R53）

設(shè)置輸出像素的各種顏色的增益值。像素信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前經(jīng)過增益放大電路，分別對(duì)各種顏色進(jìn)行處理，R43、R46分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色和紅色，R44、R45都對(duì)應(yīng)綠色，R53是全局設(shè)置。一般的照明情況下（100～1000lx），增益值為1～8，編程的值是多少，對(duì)應(yīng)的增益值就是多少。從R53可以讀出自動(dòng)曝光模式下的增益值。

*模數(shù)轉(zhuǎn)換參考（ADC）控制寄存器（R25）

通過改變模數(shù)轉(zhuǎn)換參考值，改變圖像的數(shù)字輸出，從而調(diào)節(jié)圖像亮度。當(dāng)圖像亮度大時(shí)，增加ADC值，得到的圖像將變暗；當(dāng)圖像較暗時(shí)，減小ADC值，得到的圖像將變亮。在非自動(dòng)曝光模式下，R25控制ADC的最大參考值（最小參考值為0），其典型值在24～38之間。在自動(dòng)曝光模式下，ADC參考值不能改變。

*信號(hào)漂移值設(shè)置寄存器（R32）

設(shè)置信號(hào)漂移值，調(diào)節(jié)圖像的亮度，可以設(shè)置正負(fù)兩種值。當(dāng)圖像太暗時(shí)，給R32加一個(gè)正值，像素信號(hào)變大，使得圖像變亮；當(dāng)圖像太亮?xí)r，給R32加一個(gè)負(fù)值，使圖像變暗。

4 PB-0300與單片機(jī)的接口

當(dāng)PB-0300復(fù)位至默認(rèn)狀態(tài)下時(shí)，能夠自動(dòng)工作，此時(shí)采用自動(dòng)曝光功能，輸出的圖像為640×480像素，輸出速率為30幀/s。也可以通過修改寄存器的值來改變傳感器的工作方式和提高圖像的輸出質(zhì)量。在MCS-51系列單片上，可以使用虛擬I2C總線軟件包VIIC模擬I2C總線，對(duì)PB-0300的寄存器進(jìn)行讀寫。接口電路如圖3所示。

PB-0300采用16位寄存器，需要寫入2個(gè)字節(jié)，寫滿之后寄存器地址自動(dòng)增加。所以對(duì)連接寄存器進(jìn)行寫操作時(shí)，只需寫入第一個(gè)寄存器的地址；進(jìn)行讀操作時(shí)，先對(duì)控制寄存器空寫一次，以明確操作對(duì)象，然后進(jìn)行讀數(shù)。子程序WRITE是將默認(rèn)狀態(tài)下R5的值（510）修改為340（0214H），使圖像輸出為VGA（640×480），輸出速率為25幀/s。子程序READ是以讀R9、R10為例的典型程序。子程序清單如下：

VSDA EQU P1.7

VSCL EQU P1.6

SLA EQU 50H

NUMBYT EQU 51H

MTD EQU 30H

MRD EQU 40H

WRITE：MOV 30H，#05H ；寄存器R5地址

MOV 31H，#02H ；寄存器值（0214H）

MOV 32H，#14H

MOV SLA，#0BAH ；尋址并為寫操作

MOV NUMBYT，#03H ；寫入字節(jié)數(shù)

LCALL WRNBYT

RET

READ：MOV 30H，#09H ；寄存器的R9地址

MOV NUMBYT，#01H ；寫入字節(jié)數(shù)

MOV SLA，#0BAH ；尋址并為寫操作

LCALL WRNBYT

MOV SLA，#0BBH ；尋址并為讀操作

MOV NUMBYT，#04H；讀出字節(jié)數(shù)

LCALL RDNBYT

RET

    可以利用USB接口直接讀出PB-0300芯片的數(shù)據(jù)。在LINE-VALID和FRAME-VALID信號(hào)均為高電平時(shí)，按照像素時(shí)鐘PIXCLK的輸出讀數(shù)。由于USB接口速度快，能夠?qū)B-0300的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)。

PB-0300具有體積小、功耗低、接口簡單的特點(diǎn)，而且編程操作靈活，可以不用編程在默認(rèn)方式下工作，也可以通過編程來改變輸出圖像的質(zhì)量、大小和速度等，特別適合于現(xiàn)場應(yīng)用中。PB-0300系列目前流行使用的是PB-0330。