黑白CMOS圖像傳感器OV9120的原理及應用

黑白CMOS圖像傳感器OV9120的原理及應用

摘要：本文闡述了CMOS圖像傳感器的一般特征，詳細介紹了黑白CMOS圖像傳感器芯片OV9120的性能、特點及工作原理，給出了OV9120在圖像采集處理中的具體應用實例。

１　概述

隨著ＣＭＯＳ技術的發展及市場需求的增加，ＣＭＯＳ圖像傳感器得以迅速發展。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、隨機讀取等優點，適用于超微型數碼相機、便攜式可視電話、ＰＣ機電腦眼、可視門鈴、掃描儀、攝像機、安防監控、汽車防盜、機器視覺、車載電話、指紋識別、手機等圖像領域。本文介紹的是由美國ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ技術公司生產的ＯＶ９１２０黑白ＣＭＯＳ圖像傳感器，它采用獨特的傳感器專利工藝技術和先進的算法（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）解決了先前ＣＭＯＳ感光器件固定圖像噪聲（ＦＰＮ）的限制。因而可廣泛應用于數字靜止攝像、視頻會議、視頻電話、計算機視覺、生物測量等領域。

２ 引腳功能

ＯＶ９１２０采用４８腳ＬＣＣ封裝，其引腳排列如圖１所示。

３ 結構性能及工作原理

３．１ 內部結構

ＯＶ９１２０內置１３１２×１０３６分辨率的鏡像陣列、１０位Ａ／Ｄ轉換器、可調視頻窗、ＳＣＣＥ接口、可編程幀速率控制、可編程／自動曝光增益控制、內外幀同步、亮度均衡計數器、數字視頻端口、定時產生器、黑電平校準及白平衡控制等電路。其內部結構如圖２所示。

３．２ 性能特點

ＯＶ９１２０是１３５萬像素（１３１２×１０３６）、１／２英寸的ＣＭＯＳ圖像傳感芯片，它采用ＳＸＧＡ／ＶＧＡ格式，最大幀速率可達到３０幀／ｓ（ＶＧＡ），該芯片將ＣＭＯＳ光感應核與外圍輔助電路集成在一起，同時具有可編程控制功能。ＯＶ９１２０芯片的基本參數如下?

●圖像尺寸:６．６６ｍｍ×５．３２ｍｍ，像素尺寸，５．２μｍ×５．２μｍ；

●信噪比＞５４ｄＢ；

●增益調整范圍:０～２４ｄＢ；

●ＳＸＧＡ輸出時，陣列大小為１２８０×１０２４，ＶＧＡ輸出時，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；

●動態范圍:６０ｄＢ。

３．３ 工作原理

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（或系統規則）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，則應通過自動曝光控制（ＡＥＣ）白／黑比調節來使其滿足應用要求。對于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，而對于ＳＸＧＡ格式的輸出，視窗范圍則從２×４到１２８０×１０２４，同時可以在內部１３１２×１０３６邊界內的任何地方定位。變動窗口尺寸或位置不會使幀速（或數據速率）發生變化。幀速可通過主時鐘下行（ｄｏｗｎ）、插入垂直同步定時、或采用跳讀技術的ＱＶＧＡ格式使其發生變動。

ＯＶ９１２０內部嵌入了一個１０位Ａ／Ｄ轉換器，因而可以同步輸出１０位的數字視頻流Ｄ[９．．０]。在輸出數字視頻流的同時，還可提供像素同步時鐘ＰＣＬＫ、水平參考信號ＨＲＥＦ以及垂直同步信號ＶＳＹＮＣ，以方便外部電路讀取圖像。

ＺＶ端口就是相機（鏡頭）的焦距調節視頻端口。ＯＶ９１２０的ＺＶ功能能使相機透鏡變焦而急速移向（或移離）目標。ＯＶ９１２０可利用外部主導機構（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）設定曝光時間。當ＦＲＥＸ被置位于１時，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轉換到０時，視頻數據流（ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ）用逐行讀出方式交付到輸出端口。當數據從ＯＶ９１２０視頻輸出端輸出時，應特別注意防止圖像陣列曝光影響拍攝圖像數據的完整性。與畫面曝光速率同步化的自動快門能夠將這種影響降到最小程度。

當ＯＶ９１２０的ＲＥＳＥＴ腳拉高至ＶＣＣ時，全部硬件將復位。同時ＯＶ９１２０將清除全部寄存器，并復位到它們的默認值。實際上，也可以通過ＳＣＣＢ接口觸發來實現復位。

由于ＳＣＣＥ端口能夠訪問內部所有寄存器，所以，ＯＶ９１２０的內部配置可以通過ＳＣＣＥ串行控制端口來進行。ＳＣＣＢ的接口有ＳＣＣＥ 、ＳＩＯ＿Ｃ 、ＳＩＯ＿Ｄ三條引線，其中ＳＣＣＥ是串行總線使能信號，ＳＩＯ＿Ｃ是串行總線時鐘信號，ＳＩＯ＿Ｄ是串行總線數據信號。ＳＣＣＢ對總線功能的控制完全是依靠ＳＣＣＥ、ＳＩＯ＿Ｃ、ＳＩＯ＿Ｄ三條總線上電平的狀態以及三者之間的相互配合來實現的�？刂瓶偩�規定的條件如下：當ＳＣＣＥ由高電平變為低電平時，數據傳輸開始。當ＳＣＣＥ由低電平轉化為高電平時，數據傳輸結束。為了避免傳送無用的信息位，可分別在傳輸開始之前和傳輸結束之后將ＳＩＯ＿Ｄ設置為高電平。在數據傳輸期間，ＳＣＣＥ始終保持低電平，此時，ＳＩＯ＿Ｄ上的數據傳輸由ＳＩＯ＿Ｃ來控制。當ＳＩＯ＿Ｃ為低電平時，ＳＩＯ＿Ｄ上的數據有效，ＳＩＯ＿Ｄ為穩定數據狀態。而當ＳＩＯ＿Ｃ上每出現一正脈沖時，系統都將傳送一位數據。

ＯＶ９１２０有兩種工作方式：主模式和從模式。主模式下，ＯＶ９１２０作為主導設備，此時ＸＣＬＫ上的外部晶振輸入經過內部分頻后可得到ＰＣＬＫ信號。當ＯＶ９１２０采集到圖像后，在ＰＣＬＫ的下降沿到來時，系統便可依次將像素值輸出，此時外部只是被動的接收信號。而在從模式下，ＯＶ９１２０則可作為從屬設備，此時ＸＣＬＫ不能與外部晶振相接，但可以受外部器件，也就是主設備信號的控制。即由主導設備發送一個ＭＣＬＫ時鐘信號，并在此信號的同步下依次發送像素值。

４ ＯＶ９１２０在圖像采集系統中的應用

整個圖像采集系統主

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