OV5017圖像傳感器芯片的性能介紹及其應(yīng)用
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(yīng)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(qū)動(dòng)放大、自動(dòng)曝光控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)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(chǔ)的圖像傳感器難以實(shí)現(xiàn)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(tǒng)(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(shù)轉(zhuǎn)換器。其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。與CCD相比,CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)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(guó)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(yīng)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(shù)混合輸出等功能,其輸出的視頻為黑白圖像,與CCIR標(biāo)準(zhǔn)兼容。
OV5017芯片的基本參數(shù)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(hào),格式為逐行掃描。OV5017內(nèi)部嵌入了一個(gè)8bit的A/D,因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流D[7…0]。在輸出數(shù)字視頻流的同時(shí),還提供像素時(shí)鐘PCLK、水平參考信號(hào)HREF、垂直同步信號(hào)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(duì)芯片內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)進(jìn)行設(shè)置,數(shù)字視頻流的輸出也必須通過(guò)對(duì)寄存器讀取才能實(shí)現(xiàn)。
芯片內(nèi)部有11個(gè)8位寄存器,通過(guò)對(duì)地址線A[3..0]的設(shè)置來(lái)選擇寄存器,通過(guò)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)線[7..0]來(lái)讀取或設(shè)置寄存器。在對(duì)寄存器進(jìn)行讀(或?qū)懀?br />
時(shí),應(yīng)使片選CSB與輸出使能OEB(或定使能WEB)有效。
地址號(hào)10xx的寄存器為視頻數(shù)據(jù)端口,它是只讀的,當(dāng)選中并讀取它時(shí),芯片向外輸出數(shù)據(jù)視頻流。
地址號(hào)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(hào)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(hào)。
地址號(hào)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(hào)0011的寄存器為增益控制寄存器,它是讀寫(xiě)的,當(dāng)手工曝光時(shí),增益控制在0~18dB之間。
地址號(hào)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(hào)0101的寄存器為雜項(xiàng)控制寄存器,它是讀寫(xiě)的,負(fù)責(zé)設(shè)置Gamma校正、圖像象、背景光補(bǔ)償、圖像銳化等功能。
地址號(hào)0110與0111的寄存器為窗口控制寄存器,它們均是讀寫(xiě)的,負(fù)責(zé)設(shè)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(hào)1110與1111的寄存器保留,用于測(cè)試。
2.3 數(shù)字圖像的輸出
OV5017中數(shù)字視頻流的輸出必須通過(guò)對(duì)芯片內(nèi)視頻數(shù)據(jù)端口,即地址號(hào)為10xx的寄存器的讀取來(lái)實(shí)現(xiàn)。其步驟為:
(1)設(shè)置地址總線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(yīng)事先設(shè)置窗口控制寄存器。
數(shù)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(shù)據(jù)有效,最大25ns;
VD:視頻數(shù)據(jù)。
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(jù)圖2所示時(shí)序,外部電路就可以讀取芯片輸出的圖像數(shù)據(jù)。
3 基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)
基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
在本系統(tǒng)中,OV5017作為系統(tǒng)的圖像傳感器,其內(nèi)部將獲取的圖像采集量化,在外部邏輯的控制下輸出數(shù)字圖像,存入圖像存儲(chǔ)器。這里,OV5017的管腳A[3..0]與D[3..0]復(fù)用共同的外部數(shù)據(jù)線,因此加一個(gè)鎖存器將它們分開(kāi)。在讀寫(xiě)OV5017的內(nèi)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),為避免總線沖突,TMS320C31的低8位數(shù)據(jù)線與OV5017的數(shù)據(jù)之間和TMS320C31的地址線與采集地址之間各加了一個(gè)總線隔離。
系統(tǒng)讀取圖像的過(guò)程為:
(1)對(duì)譯碼與時(shí)序發(fā)生器初始化;
(2)視需要設(shè)置OV5017的內(nèi)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(shù)據(jù)端口,即寄存器10xx;
(4)TMS320C31向譯碼與時(shí)序發(fā)生器發(fā)信號(hào),通知開(kāi)始采集圖像;
(5)譯碼與時(shí)序發(fā)生器使能總線隔離,并根據(jù)OV5017輸出的參考信號(hào),即VSYNC、HREF與PCLK,生成圖像存儲(chǔ)器的片選、寫(xiě)及地址信號(hào)。這樣數(shù)字圖像即以連續(xù)的方式存入圖像存儲(chǔ)器中;
(6)TMS320C31向譯碼與時(shí)序發(fā)生器發(fā)信號(hào),通知停止采集圖像,OV5017則停止輸出數(shù)字圖像。
在圖像采集過(guò)程中,TMS320C31可訪問(wèn)除圖像存儲(chǔ)器與OV5017以外的其他存儲(chǔ)器或端口。
該系統(tǒng)由于省略了A/D等器件,因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),由于OV5017內(nèi)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(tǒng)在功能上的靈活性。本系統(tǒng)適合于監(jiān)控、多媒體等應(yīng)用范圍。