CMOS图像传感器芯片OV5017及其应用

    摘要：阐述了CMOS图像传感器的一般特征，详细介绍了CMOS黑白图像传感芯片OV5017的性能与使用特点，讨论了OV5017在图像采集中的应用。

    关键词：CMOS图像传感器 OV5017 图像采集

1 CMOS图像传感器的一般特征

目前，CCD（电荷耦合器件）是主要的实用化固态图像传感器件，它具有读取噪声低、动态范围大、响应灵敏度高等优点。但CCD技术难以与主流的CMOS技术集成于同一芯片之中。这样，诸如定时产生、驱动放大、自动曝光控制、模数转换及信号处理等支持电路就不能与像素阵列做同一芯片上，以CCD为基础的图像传感器难以实现单片一体化，因而具有体积大、功耗高等缺点。

CMOS图像传感器是近向年发展较快的新型图像传感器，由于采用了相同的CMOS技术，因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上。实际上，CMOS图像传感器是一个较完成的图像系统（Camera on Chip），通常包括：一个图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和模数转换器。其基本结构见图1。与CCD相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有以下优点：

（1）体积小、重量轻、功耗低；

（2）编程方便、易于控制；

（3）平均成本低。

2 OV5017的性能与特点

2.1 OV5017的基本性能

OV5017是美国OmniVision公司开发的CMOS黑白图像传感器芯片，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，其输出的视频为黑白图像，与CCIR标准兼容。

OV5017芯片的基本参数为：

(1)图像尺寸4.2mm×3.2mm，像素尺寸11μm×11μm;

(2)信噪比SNR>42dB;

(3)帧频50时，最小照度为0.5lux@f1.4；

(4)帧频50时，峰值功耗小于100mW。

OV5017输出模拟视频信号，格式为逐行扫描。OV5017内部嵌入了一个8bit的A/D，因而可以同步输出8位的数字视频流D[7…0]。在输出数字视频流的同时，还提供像素时钟PCLK、水平参考信号HREF、垂直同步信号VSYNC，便于外部电路读取图像。

OV5017的像素阵列为384×288，分为16×16的子块，每个子块大小为24×18，可以在整个图像的局部开窗，输出窗口中的图像。

2.2 OV5017的编程功能

OV5017具有丰富的编程控制功能，其图像帧频、曝光时间、增益控制、Gamma校正、图像开窗等均可通过对芯片内部寄存器的读写进行设置，数字视频流的输出也必须通过对寄存器读取才能实现。

芯片内部有11个8位寄存器，通过对地址线A[3..0]的设置来选择寄存器，通过读写数据线[7..0]来读取或设置寄存器。在对寄存器进行读（或写）时，应使片选CSB与输出使能OEB（或定使能WEB）有效。

地址号10xx的寄存器为视频数据端口，它是只读的，当选中并读取它时，芯片向外输出数据视频流。

地址号0000的寄存器为状态寄存器，它是只读的，反映芯片的某些状态。

地址号0001的寄存器为帧控制寄存器，它是只写的，用于控制帧与行的同步信号。

地址号0010的寄存器为曝光控制寄存器，它是读写的，可选择自动曝光，也可选择手工曝光。曝光时间控制在1帧至1/100帧之间。

地址号0011的寄存器为增益控制寄存器，它是读写的，当手工曝光时，增益控制在0～18dB之间。

地址号0100的寄存器为帧频控制寄存器，它是读写的，帧频控制在50～0.5fps之间。

地址号0101的寄存器为杂项控制寄存器，它是读写的，负责设置Gamma校正、图像象、背景光补偿、图像锐化等功能。

地址号0110与0111的寄存器为窗口控制寄存器，它们均是读写的，负责设置窗口的水平尺寸、水平位置、垂直尺寸、垂直位置，以确定图像中的一个窗口。

地址号1110与1111的寄存器保留，用于测试。

2.3 数字图像的输出

OV5017中数字视频流的输出必须通过对芯片内视频数据端口，即地址号为10xx的寄存器的读取来实现。其步骤为：

（1）设置地址总线A[3..0]为10xx；

（2）使能片选CSB与输出使能OEB。

若需输出局部图像则应事先设置窗口控制寄存器。

数字视频流输出的时序如图2所示。图中，

TPHD：TCLK下降沿至HREF有效，最大25ns；

TPDD：PCLK上升沿至视频数据有效，最大25ns；

VD：视频数据。

因篇幅所限，这里仅给出图像一行中4个像素输出的时序。根据图2所示时序，外部电路就可以读取芯片输出的图像数据。

3 基于OV5017的图像采集系统

基于OV5017的图像采集系统结构如图3所示。

在本系统中，OV5017作为系统的图像传感器，其内部将获取的图像采集量化，在外部逻辑的控制下输出数字图像，存入图像存储器。这里，OV5017的管脚A[3..0]与D[3..0]复用共同的外部数据线，因此加一个锁存器将它们分开。在读写OV5017的内部寄存器时，需分两个操作进行，即先选择寄存器，再读定该寄存器。同时，为避免总线冲突，TMS320C31的低8位数据线与OV5017的数据之间和TMS320C31的地址线与采集地址之间各加了一个总线隔离。

系统读取图像的过程为：

（1）对译码与时序发生器初始化；

（2）视需要设置OV5017的内部控制寄存器，如曝光控制、增益控制、窗口控制等；

（3）选择OV5017的视频数据端口，即寄存器10xx；

（4）TMS320C31向译码与时序发生器发信号，通知开始采集图像；

（5）译码与时序发生器使能总线隔离，并根据OV5017输出的参考信号，即VSYNC、HREF与PCLK，生成图像存储器的片选、写及地址信号。这样数字图像即以连续的方式存入图像存储器中；

（6）TMS320C31向译码与时序发生器发信号，通知停止采集图像，OV5017则停止输出数字图像。

在图像采集过程中，TMS320C31可访问除图像存储器与OV5017以外的其他存储器或端口。

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OV5017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。