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黑白CMOS圖像傳感器OV9120的原理及應(yīng)用
摘要：本文闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征，詳細(xì)介紹了黑白CMOS圖像傳感器芯片OV9120的性能、特點(diǎn)及工作原理，給出了OV9120在圖像采集處理中的具體應(yīng)用實(shí)例。１ 概述
隨著ＣＭＯＳ技術(shù)的發(fā)展及市場(chǎng)需求的增加，ＣＭＯＳ圖像傳感器得以迅速發(fā)展。ＣＭＯＳ圖像傳感器具有高度集成化、成本低、功耗低、單一工作電壓、局部像素可編程、隨機(jī)讀取等優(yōu)點(diǎn)，適用于超微型數(shù)碼相機(jī)、便攜式可視電話(huà)、ＰＣ機(jī)電腦眼、可視門(mén)鈴、掃描儀、攝像機(jī)、安防監(jiān)控、汽車(chē)防盜、機(jī)器視覺(jué)、車(chē)載電話(huà)、指紋識(shí)別、手機(jī)等圖像領(lǐng)域。本文介紹的是由美國(guó)ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ技術(shù)公司生產(chǎn)的ＯＶ９１２０黑白ＣＭＯＳ圖像傳感器，它采用獨(dú)特的傳感器專(zhuān)利工藝技術(shù)和先進(jìn)的算法（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）解決了先前ＣＭＯＳ感光器件固定圖像噪聲（ＦＰＮ）的限制。因而可廣泛應(yīng)用于數(shù)字靜止攝像、視頻會(huì)議、視頻電話(huà)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、生物測(cè)量等領(lǐng)域。
２ 引腳功能
ＯＶ９１２０采用４８腳ＬＣＣ封裝，其引腳排列如圖１所示。
３ 結(jié)構(gòu)性能及工作原理
３．１ 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
ＯＶ９１２０內(nèi)置１３１２×１０３６分辨率的鏡像陣列、１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器、可調(diào)視頻窗、ＳＣＣＥ接口、可編程幀速率控制、可編程／自動(dòng)曝光增益控制、內(nèi)外幀同步、亮度均衡計(jì)數(shù)器、數(shù)字視頻端口、定時(shí)產(chǎn)生器、黑電平校準(zhǔn)及白平衡控制等電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖２所示。
３．２ 性能特點(diǎn)
ＯＶ９１２０是１３５萬(wàn)像素（１３１２×１０３６）、１／２英寸的ＣＭＯＳ圖像傳感芯片，它采用ＳＸＧＡ／ＶＧＡ格式，最大幀速率可達(dá)到３０幀／ｓ（ＶＧＡ），該芯片將ＣＭＯＳ光感應(yīng)核與外圍輔助電路集成在一起，同時(shí)具有可編程控制功能。ＯＶ９１２０芯片的基本參數(shù)如下?
●圖像尺寸:６．６６ｍｍ×５．３２ｍｍ，像素尺寸，５．２μｍ×５．２μｍ；
●信噪比＞５４ｄＢ；
●增益調(diào)整范圍:０～２４ｄＢ；
●ＳＸＧＡ輸出時(shí)，陣列大小為１２８０×１０２４，ＶＧＡ輸出時(shí)，陣列大小為６４０×４８０；
●供電電源電壓為直流３．３Ｖ和２．５Ｖ；
●暗電流: ２８ｍＶ／ｓ；
●動(dòng)態(tài)范圍:６０ｄＢ。
３．３ 工作原理
ＣＭＯＳ鏡像陣列的設(shè)計(jì)主要建立在逐行傳送的掃描場(chǎng)讀出系統(tǒng)和帶同步像素讀出電路的電子快門(mén)之上。而電子曝光控制算法（或系統(tǒng)規(guī)則）則建立在整個(gè)圖（物）像亮度基礎(chǔ)之上。在景像（或布景）正常時(shí)，一般曝光都比較理想。但在景像光線(xiàn)不適當(dāng)時(shí)，則應(yīng)通過(guò)自動(dòng)曝光控制（ＡＥＣ）白／黑比調(diào)節(jié)來(lái)使其滿(mǎn)足應(yīng)用要求。對(duì)于ＶＧＡ格式的輸出，ＯＶ９１２０圖像傳感器的視窗尺寸范圍從２×２到６４０×４８０，而對(duì)于ＳＸＧＡ格式的輸出，視窗范圍則從２×４到１２８０×１０２４，同時(shí)可以在內(nèi)部１３１２×１０３６邊界內(nèi)的任何地方定位。變動(dòng)窗口尺寸或位置不會(huì)使幀速（或數(shù)據(jù)速率）發(fā)生變化。幀速可通過(guò)主時(shí)鐘下行（ｄｏｗｎ）、插入垂直同步定時(shí)、或采用跳讀技術(shù)的ＱＶＧＡ格式使其發(fā)生變動(dòng)。
ＯＶ９１２０內(nèi)部嵌入了一個(gè)１０位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，因而可以同步輸出１０位的數(shù)字視頻流Ｄ[９．．０]。在輸出數(shù)字視頻流的同時(shí)，還可提供像素同步時(shí)鐘ＰＣＬＫ、水平參考信號(hào)ＨＲＥＦ以及垂直同步信號(hào)ＶＳＹＮＣ，以方便外部電路讀取圖像。
ＺＶ端口就是相機(jī)（鏡頭）的焦距調(diào)節(jié)視頻端口。ＯＶ９１２０的ＺＶ功能能使相機(jī)透鏡變焦而急速移向（或移離）目標(biāo)。ＯＶ９１２０可利用外部主導(dǎo)機(jī)構(gòu)（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）設(shè)定曝光時(shí)間。當(dāng)ＦＲＥＸ被置位于１時(shí)，像素陣列被迅速充電，傳感器保持為高以拍攝圖像（或物像）。在ＦＲＥＸ轉(zhuǎn)換到０時(shí)，視頻數(shù)據(jù)流（ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ）用逐行讀出方式交付到輸出端口。當(dāng)數(shù)據(jù)從ＯＶ９１２０視頻輸出端輸出時(shí)，應(yīng)特別注意防止圖像陣列曝光影響拍攝圖像數(shù)據(jù)的完整性。與畫(huà)面曝光速率同步化的自動(dòng)快門(mén)能夠?qū)⑦@種影響降到最小程度。
當(dāng)ＯＶ９１２０的ＲＥＳＥＴ腳拉高至ＶＣＣ時(shí)，全部硬件將復(fù)位。同時(shí)ＯＶ９１２０將清除全部寄存器，并復(fù)位到它們的默認(rèn)值。實(shí)際上，也可以通過(guò)ＳＣＣＢ接口觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
由于ＳＣＣＥ端口能夠訪問(wèn)內(nèi)部所有寄存器，所以，ＯＶ９１２０的內(nèi)部配置可以通過(guò)ＳＣＣＥ串行控制端口來(lái)進(jìn)行。ＳＣＣＢ的接口有ＳＣＣＥ 、ＳＩＯ＿Ｃ 、ＳＩＯ＿Ｄ三條引線(xiàn)，其中ＳＣＣＥ是串行總線(xiàn)使能信號(hào)，ＳＩＯ＿Ｃ是串行總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)，ＳＩＯ＿Ｄ是串行總線(xiàn)數(shù)據(jù)信號(hào)。ＳＣＣＢ對(duì)總線(xiàn)功能的控制完全是依靠ＳＣＣＥ、ＳＩＯ＿Ｃ、ＳＩＯ＿Ｄ三條總線(xiàn)上電平的狀態(tài)以及三者之間的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。控制總線(xiàn)規(guī)定的條件如下：當(dāng)ＳＣＣＥ由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始。當(dāng)ＳＣＣＥ由低電平轉(zhuǎn)化為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。為了避免傳送無(wú)用的信息位，可分別在傳輸開(kāi)始之前和傳輸結(jié)束之后將ＳＩＯ＿Ｄ設(shè)置為高電平。在數(shù)據(jù)傳輸期間，ＳＣＣＥ始終保持低電平，此時(shí)，ＳＩＯ＿Ｄ上的數(shù)據(jù)傳輸由ＳＩＯ＿Ｃ來(lái)控制。當(dāng)ＳＩＯ＿Ｃ為低電平時(shí)，ＳＩＯ＿Ｄ上的數(shù)據(jù)有效，ＳＩＯ＿Ｄ為穩(wěn)定數(shù)據(jù)狀態(tài)。而當(dāng)ＳＩＯ＿Ｃ上每出現(xiàn)一正脈沖時(shí)，系統(tǒng)都將傳送一位數(shù)據(jù)。
ＯＶ９１２０有兩種工作方式：主模式和從模式。主模式下，ＯＶ９１２０作為主導(dǎo)設(shè)備，此時(shí)ＸＣＬＫ上的外部晶振輸入經(jīng)過(guò)內(nèi)部分頻后可得到ＰＣＬＫ信號(hào)。當(dāng)ＯＶ９１２０采集到圖像后，在ＰＣＬＫ的下降沿到來(lái)時(shí)，系統(tǒng)便可依次將像素值輸出，此時(shí)外部只是被動(dòng)的接收信號(hào)。而在從模式下，ＯＶ９１２０則可作為從屬設(shè)備，此時(shí)ＸＣＬＫ不能與外部晶振相接，但可以受外部器件，也就是主設(shè)備信號(hào)的控制。即由主導(dǎo)設(shè)備發(fā)送一個(gè)ＭＣＬＫ時(shí)鐘信號(hào)，并在此信號(hào)的同步下依次發(fā)送像素值。
４ ＯＶ９１２０在圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用
整個(gè)圖像采集系統(tǒng)主
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