ARM9平臺下的CMOS圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
引言
隨著CMOS(互補金屬氧化物半導體)技術的發(fā)展及市場需求的增加,CMOS圖像傳感器得以迅速發(fā)展。由于采用了CMOS技術,可以將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、可編程功能和A/D轉(zhuǎn)換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比,CMOS圖像傳感器將整個圖像系統(tǒng)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,因此,CMOS圖像傳感器的應用已經(jīng)變得越來越廣泛。
但是,目前市場上的大部分基于CMOS圖像傳感器的圖像采集系統(tǒng)都是采用DSP與圖像傳感器相連,由DSP來控制圖像傳感器,然后由DSP采集到圖像后再通過USB接口將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機進行后續(xù)的處理。這樣的圖像采集系統(tǒng)成本較高,功耗大,而且體積上也有一定的限制,并不適合一些簡單的應用。
本文設計了一種基于S3C2410的CMOS圖像傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)成本更為低廉、結構更為簡單、設計更為新穎。
1CMOS圖像傳感器結構性能及工作原理
該系統(tǒng)選用OmniVision公司的OV7141黑白CMOS數(shù)字圖像傳感器。OV7620是一款單片VGA模式黑白數(shù)字像機芯片,具有640×480=307200像素,最高可以30幀/s的速度輸出數(shù)字圖像數(shù)據(jù)。具有高靈敏度、寬動態(tài)范圍、抗開花、零光暈等特點,所有的圖像特性參數(shù)如曝光量、增益、白平衡、幀頻、輸出圖像數(shù)據(jù)格式、圖像時序信號極性、窗口大小及位置等,都可以通過SCCB接口進行設置,并可立刻生效。
OV7141的主要特性參數(shù)如下:圖像尺寸為3。6mm×2。7mm;像素尺寸為5。6μm×5。6μm;像素數(shù)為640×480像素(VGA),320×240像素(QVGA);信噪比>46dB;最小照度為3。0V/(Lux·s);暗電流為30mV/s;動態(tài)范圍為62dB;電源為DC3。3V和DC2。5V;功耗為40mW(工作),30μA(休眠)。
CMOS鏡像陣列的設計主要建立在逐行傳送的掃描場讀出系統(tǒng)和帶同步像素讀出電路的電子快門之上。而電子曝光控制算法(或系統(tǒng)規(guī)則)則建立在整個圖(物)像亮度基礎之上。在景像(或布景)正常時,一般曝光都比較理想。但在景像光線不適當時,則應通過AEC(自動曝光控制)白/黑比調(diào)節(jié)來使其滿足應用要求。圖像采集窗口可以任意設定,數(shù)據(jù)輸出方式可以選擇逐行工作模式或隔行工作模式。OV7141內(nèi)部嵌入了一個8位A/D轉(zhuǎn)換器,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,還可提供像素同步時鐘PCLK,水平參考信號HREF以及幀同步信號VSYNC,以方便外部電路讀取圖像。像素數(shù)據(jù)輸出與PCLK、HREF、VSYNC的時序關系如圖1和圖2所示。
2S3C2410簡介
Samsung公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410,為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。為了降低整個系統(tǒng)的成本,S3C2410提供了以下豐富的內(nèi)部設備:分開的指令Cache和數(shù)據(jù)Cache,內(nèi)帶MMU、LCD控制器(支持STNTFT),支持NANDFlash系統(tǒng)引導,系統(tǒng)管理器(片選邏輯和SDRAM控制器),3通道UART,4通道DMA(直接存儲器存取),4通道PWM(脈寬調(diào)制)定時器,I/O端口,RTC,8通道10位A/D轉(zhuǎn)換器和觸摸屏接口,IIC-BUS接口,USB主機,USB設備,SD主卡和MMC卡接口,2通道的SPI以及內(nèi)部PLL(鎖相環(huán))時鐘倍頻器。
3CMOS圖像傳感器與控制器接口電路設計
接口電路的設計主要應考慮CMOS圖像傳感器與控制器S3C2410的數(shù)據(jù)輸出電路接口、控制電路接口以及IIC總線接口。
3。1數(shù)據(jù)接口模塊
由于CMOS圖像傳感器的每一個成像單元像DRAM內(nèi)存的存儲單元一樣被單獨編址,且OV7141內(nèi)部嵌入了一個8位A/D轉(zhuǎn)換器,因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流D[7…0]。因此,與其數(shù)據(jù)線連接就和DRAM一樣,將數(shù)據(jù)線和S3C2410的數(shù)據(jù)總線直接連接即可。線路連接如圖3所示。
但CMOS圖像傳感器也有與內(nèi)存不同的地方:內(nèi)存在計算機系統(tǒng)中總是作為一個從設備來對待,只有控制器對其進行讀寫操作時它才打開數(shù)據(jù)總線,其他時刻為斷開狀態(tài)(高阻態(tài));而OV7141圖像傳感器一旦開始采集圖像數(shù)據(jù),它根本不管系統(tǒng)中的主控制器是否對其進行讀寫操作,總是按照它自己的時序向其數(shù)據(jù)總線輸出數(shù)據(jù),這樣就可能造成數(shù)據(jù)總線的沖突問題。為了避免這種總線沖突問題,需要在系統(tǒng)控制器的數(shù)據(jù)總線與OV7141圖像傳感器的數(shù)據(jù)總線之間接入一個具有三態(tài)功能的總線驅(qū)動器,該驅(qū)動器的使能端/OE由S3C2410的存儲器單元片選信號nGCS1來選通,這樣,控制器S3C2410對圖像傳感器的讀寫就如同讀寫內(nèi)存一樣。
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