高帧频COMS相机电子学系统模块.docx
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高帧频COMS相机电子学系统模块
1引言
互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器具有功耗低,集成度高和易于控制等特点,其信噪比,光灵敏度和动态范围等性能可与成熟的电荷耦合器件(CCD)图像传感器相媲美,因此,CMOS图像传感器为发展微型化、数字化和多功化成像器件开辟了新思路。
高分辨率、高帧频的CMOS图像采集系统在高速运动分析、高速物体追踪及高速变化过程罔像的获取等领域应用广泛。
2高帧频COMS相机电子学系统模块
相机电子学系统包括CMOS图像传感器焦平面板和驱动控制板,原理结构如图1所示。
主要功能模块包括:
CMOS图像传感器、LD0电源调整电路及滤波电路、时序电路、时钟电路、图像数据接口电路、RS422驱动电路,以及低压差分电路等。
2.1焦平面板
经滤波电路平台输出+5V二次电源电压,冉经LD0电压调整电路输出+3.3V电压。
该电压经滤波后向图像传感器及偏置电路提供电源。
MT9M413内部集成有10bitA/D转换器(简称ADC),可直接输出3.3V的数字信号。
时序驱动板CPLD的端口电压为+3.3V,因此两者之间可直接传输信号,无需电平转换电路。
MT9M413含有10个输出通道,数据总线多达100条,因此采用微型板问连接器连接焦平面板和驱动控制板,以减小电路板体积和质量。
2.2驱动控制板
驱动控制板是相机控制系统的核心,其作用主要包括:
产生MT9M413的丁作时序;FIF0读写控制;实现间接指令接口RS232(RS422电平);实现图像输出接口(LVDS电平)。
驱动控制板的时序信号和控制信号通过FPGA实现,综合考虑速度、器件容量、工作温度、功耗及抗辐射能力等因素,选用Actel公司的APA600型FPGA,该器件内置2个锁相环,I/O电压为+3.3V,内核电压为+2.5V,属于低功耗器件。
2.2.1MT9M413图像传感器工作原理
MT9M413是Micron公司的具有3.3V电源,1.31M像素的CMOS数字图像传感器,其分辨率为l280H×1024V;主时钟为66MHz时,帧频可达500f/s;动态范围为59dB;快门时间范围为10μs~33ms。
片内集成10bit自标定、全数字接口的ADC。
MT9M413功能框图如图2所示,其功能组件包括:
像元阵列、行地址选择逻辑、列放大器组、l280个10位ADC模块、ADC寄存器和读出寄存器模块。
MT9M413的时序关系如图3所示。
10位ROW—ADDR行地址总线输入选择读出的像素行,ROW_STRT_N信号开始从像素行读模拟数据,并数字化地存储在ADC寄存器中,当这一系列工作完成后,器件输出ROW_DONE_N信号。
当DATA_READ_EN_N信号有效时,LD_SHFT_N信号低电平有效,从ADC寄存器开始向输出寄存器转移数字数据,DATA_READ_EN_N信号使输出寄存器使能。
DATA_READ_EN_N置低保持两个时钟后。
开始读取新像素行和转换循环。
在新行转换同时允许读取先前转换的数字信号,因此行周期是从ROW_STRT_N信号开始到。
ROW_DONE_N信号返回,或在LD_SHFT_N和DATA_READ_EN_N信号有效周期加两个时钟的时间。
PG_N(PGl+PG2)信号同时置位整个像素阵列的光探测器进行光积分;TX—N信号同时为整个阵列的每一个像素转移光探测器的电荷到存储器,结束光积分。
必须注意的是,在连续模式下,PG—N和rrx—N脉冲必须持续64个SYSTCLK时钟周期;在ROW—STRT_N为低电平时,ROW—ADDR地址总线才有效,且至少持续66个SYSCI.K时钟周期。
通过增加光积分阶段的行转移脉冲个数调整曝光时间。
对MxN阵列的CMOS器件.Ⅳ个行转移周期即可完成一帧图像的所有行转移。
为了增大积分时间,可以增加行转移的数量,使得行转移脉冲个数大于Ⅳ,当然在第Ⅳ个转移周期之外的信号无效。
图像信号从10个通道同步读m,每个通道的位宽均为10bit.每个通道所对应的像元编号如表1所示。
整帧图像输出需要128个时钟周期。
随后将1。
5通道合并成一路50bit数据:
6~10通道合并成一路50bit数据,分别缓存在两个数据FIF0中.每个FIFO的容量为128KxS0bit.并将上述两路信号传输给FPGA进行并.并转换,最后输m一路10bit并行图像数据。
2.2.2FIFO读写控制
由于M’F9M413每个时钟周期可同时输出100位数据,必须经过FPGA并。
并转换。
转换成10位数据供LV:
DS数据采集卡使用。
为了避免丢失高速数据,必须在中间加入数据缓存器。
该系统设计选用两片128KxS0bit的FIFO。
它是一种高速、低功耗的先入先出型缓存器。
2.2.3基于VHDL硬件电路的实现
VHDL硬件描述语言支持自上而下的设计方法。
根据自上而下的设计方法,确定输入/输出信号,同时根据时序划分功能模块,然后把所有的输入/输出信号分配到各个功能模块中,每个功能模块分别进行VHDL设计输入、功能仿真、后仿真。
在各个功能模块实现各自功能后,例化到顶层设计中,完成顶层的VHDL设计输入、功能仿真、综合、后仿真。
直至达到设计要求。
部分VHDL硬件捕述如图4所示,其中R1是帧计数,R2是行计数。
总曝光时间的计算公式如下:
总曝光时间=Rl×行周期×l024+(1023一R2)×行周期。
3结语
该系统没计根据CMOS的时序要求.经仿真调试能够产生相应的驱动脉冲和偏置电压,并通过遥控数据的注入,实现了曝光时间的可调控制。
CMOS图像传感器与CCD相比,由于能将时序处理电路和图像信号的前端放大与数字化部分集成于一个芯片内,因此,他的发展一直受到业界的高度重视。
现在,随着技术与工艺的发展,CMOS图像传感器不仅在噪声上得到了有效改善,而且分辨率也已得到了明显提高。
一般的彩色CMOS图像传感器都能达到几十万象素,好的CMOS图像传感器甚至能达到300万象素以上。
因此,CMOS图像传感器将以其低廉的价格、实用的图像质量、高集成度和相对较少的功耗,在视频监控、多媒体领域得到更加广泛的应用。
10V7648的基本结构
OV7648是美国OmniVision公司开发的CMOS彩色图像传感器芯片,该芯片将CMOS光感应核与外围支持电路集成在一起,具有可编程控制与视频模/数混合输出等功能,该芯片运用专有的传感器技术,能够消除普通的光电干扰,例如噪声、灯光闪烁等,输出清晰、稳定的彩色图像。
其性能特点有:
(1)单芯片1/4尺寸。
(2)2.5V操作电压。
(3)I'C控制,标准SCCB接口。
(4)开窗功能,局部图像输出。
(5)视频信号输出:
RGB/RawRGB/YUV/YCbCr。
(6)自动曝光控制/自动白平衡/自动增益控制/自动亮度控制。
(7)图像质量控制,包括颜色饱和度、锐度、伽马校正等。
图1是OV7648的基本结构图。
图像象素阵列OV7648具有640X480的象素阵列大小,即307200象素。
还有12列、6行可供选择。
时序发生器控制以下功能:
象素阵列控制和帧产生(VAG,QVGA输出);内部时钟信号产生和分配;帧率时序;自动曝光控制;外部时序(垂直同步信号VSYNC,水平参考信号HREF和象素时钟PCLK)输出以便外部电路读取图像。
模拟信号处理模块自动增益控制;自动白平衡;图像质量(颜色饱和度、锐度、色调、伽马等)控制。
A/D转换经过模拟处理模块后,数据通过多路转换开关分两路进行A/D转换,转换速率为12MHz,与象素速率完全同步。
输出格式控制发送图像前,控制输出数据格式。
数字视频端口增加驱动电流和调节负荷。
SCCB接口OV7648的寄存器和许多功能通过
SCCB高速串行接口(SIOC,SIOD)进行操作,包括曝光控制、白平衡、增益、饱和度等。
2.0V7648的编程功能
OV7648具有丰富的编程控制功能,其图像帧频、曝光时间、增益控制、伽马校正等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置。
芯片内共有128个寄存器,其中82个厂家保留,5个只读,包括产品ID、制造商ID等,余下的41个由用户根据需要通过SCCB接口设置,是可读写的。
由于寄存器的数目多,下面对这41个寄存器做简要介绍。
地址号为oo的寄存器为增益控制,如果AGC(自动增益控制)允许,内部控制电路将最佳增益存储在该寄存器中。
如果AGC禁止,寄存器存储缺省值00。
地址号为01,02,05的寄存器为白平衡控制,分别存储白平衡控制的当前蓝通道、红通道设置值和蓝/红通道前端放大增益设置值。
地址号为7E,7F,80的寄存器为曝光控制,分别对应Y/G,R/V,B/U通道。
地址号为24的寄存器是AGC/AEC稳态操作的上限,缺省值是10;地址号为25的寄存器是AGC/AEC稳态操作的下限,缺省值是8A。
地址号为03,04的寄存器控制图像格式。
地址号为11,lB,2B,72,?
3的寄存器控制数据格式,可对象素、帧率等进行设置。
地址号为06的寄存器进行亮度设置。
地址号为10的寄存器控制曝光值。
地址号为17,18,19,lA,1F,2A的寄存器控制输出格式,包括水平帧率、垂直帧率、RGB格式等。
地址号为6C,6D,6E的寄存器补偿R,G,B通道的色度亮度干扰。
地址号为12,13等14个寄存器为杂项控制寄存器,负责设置伽马校正、图像象素、白平衡、曝光、背景光补偿、图像锐化等功能。
3数字图像的输出
,
OV7648的数据输出格式是Bayer原始数据输出格式。
其一般格式为:
奇数扫描行RGRG……
偶数扫描行GBGB……
根据人眼对彩色的响应带宽不高的大面积着色特点,每个象素没有必要同时输出3种颜色。
因此,数据采样时,奇数扫描行的第1,2,3,4,…象素分别采样和输出R,G,R,G,…数据;偶数扫描行的第1,2,3,4,…象素分别采样和输出G,B,G,B,…数据。
在实际处理时,每个象素的R,G,B信号由象素本身输出的某一种颜色信号和相邻象素输出的其他颜色信号构成。
这种采样方式在基本不降低图像质量的同时,可以将采样频率降低60%以上。
图2是OV7648的RGB565的输出时序图。
由于CMOS光传感单元对3种颜色的响应灵敏度是完全不同的,而且是非线性的,与亮度、增益及本身的材料相关。
因此图像传感器的原始数据要进行颜色校正与补偿。
不同厂家的产品补偿曲线不同,因此要设计不同的补偿算法。
OV7648不仅输出R,G,B的原始数据格式,而且在芯片内已经集成了颜色补偿算法,可以输出符合CCIR601标准的YUV和YCbCr的视频输出格式。
4基于OV7648图像采集系统
OV7648图像传感器得到众多后端DSP商家的支持,如EPSON,CORELOGIC,ADI,ATI,AIC,SUNPLUS,WINBOND,ASANA,TI,EMBRAGE,APHAMOSIA,HITACHI,TOSHIBA等。
有了这些著名公司的支持,不仅可以实现LCD的驱动、JPEG图像的压缩和解码,甚至可以完成MPEG4图像。
现以OmniVision公司生产的后端DSP--OV528为例说明OV7648的应用,其原理框图如图3所示。
图3中的PWDN是功耗模式选择,低电平时为正常模式,高电平时为低功耗模式。
PCLK,HREF,VSYNC分别为点频和行场同步输出信号线。
OV528通过SCCB接口对OV7648进行PC控制,包括对比度、亮度、饱和度、白平衡及自动曝光、同步信号位置及极性输出、帧速率和数据输出格式控制等。
EZPROM选用24C64。
OV528是OmniVision公司生产的一款单片低功耗、小体积、高性能的DSP,主要用于PDA、移动电话的图像处理系统中,OV528通过摄像头接口从传感器OV7648中获取输入视频数据,并能保证数据传输的实时性,使用者在上位机(PC,PDA,移动电话等)上发出拍摄指令后,系统捕获一帧静态图像送人OV528进行数据处理,完成颜色校正、JPEG压缩和解码等,然后把数据送到SRAM储存或直接通过接口传输到上位机,OV528支持的接口有两种:
一种是RS232,波特率范围在9.6-920kb/s之间,常用的波特率设置值是115.2kb/s,230.4kb/s和460.8kb/s;另一种是SPI,可以获得更高的传输速率,达到2-4Mb/s。
该系统由于省略了A/D等器件,因而具有结构简单、体积小、功耗低等优点。
同时,由于OV7648内部嵌入曝光、增益、开窗等控制电路,并且编程方便,这就提高了采集系统在功能上的灵活性。
本系统适合于监控、多媒体等应用范围。
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