基于fpga的cmos攝像驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 方式， CMOS圖像傳感器工作速度優(yōu)于 CCD。通常的 CCD傳感器由于采用順序傳輸電荷，組成相機(jī)的電路芯片有 3~8片，信號(hào)讀出速率不超過 70MPIXELS/S。 CMOS像感器設(shè)計(jì)者都采用將模數(shù)轉(zhuǎn)換（ ADC）作在每個(gè)像元中，使 CMOS傳感器信號(hào)讀出速率可達(dá)1000PIXELS/S。 窗口： CMOS圖像傳感器由于信號(hào)讀出采用 X2Y尋址方式，具有讀出任意局部畫面的能力，這使它可以提高感興趣的小區(qū)域的幀或行頻。這種功能可用于在畫面局部區(qū)域進(jìn)行高速瞬時(shí)精確目標(biāo)跟蹤。 CCD圖像傳感器由于其順序讀出信號(hào)結(jié)構(gòu)決定它在畫面開窗口的能力受到限制。 綜上所述： CMOS與 CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小，可將信號(hào)處理電器與 CMOS圖像傳感器集成在一個(gè)芯片上等優(yōu)點(diǎn)。但其圖像質(zhì)量（特別是低照度環(huán)境下）與系統(tǒng)靈活性與 CCD的相比相對(duì)較低。由于具有上述特點(diǎn)，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、 低價(jià)位、攝像質(zhì)量無過高要求的應(yīng)用，如保安用小型 /微型相機(jī)、手機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)視頻會(huì)議系統(tǒng)、無線手持式視頻會(huì)議系統(tǒng)、條形碼掃描器、傳真機(jī)、玩具、生物顯微計(jì)數(shù)、某些車用攝像系統(tǒng)等大量高商用領(lǐng)域，CCD與 CMOS圖像傳感器相比，具有較好的圖像質(zhì)量和靈活性，仍然保持高端的攝像技術(shù)應(yīng)用。如天文觀察、衛(wèi)星成像、高分辨率數(shù)字照片、廣播電高性能工業(yè)攝像機(jī)、大部分科學(xué)與醫(yī)學(xué)攝像機(jī)等應(yīng)用。隨著 CCD與 CMOS傳感技術(shù)的進(jìn)步，兩者的差異有逐漸縮小的態(tài)勢。倒如： CCD傳感器一直在功耗上作改進(jìn)，以應(yīng)用于移動(dòng)通信市場； CMOS傳感器則在 改善分辨率與靈敏度方面的不足，以應(yīng)用于更高端的圖像產(chǎn)品，CCD與 CMOS圖像傳感器相比，在價(jià)格方面目前幾乎相等。這主要是 CCD具有成熟的技術(shù)與市場， CMOS器件具有較高的技術(shù)市場開發(fā)成本。 CMOS與 CCD圖像傳感器的光電轉(zhuǎn)換原理相同，均在硅集成電路工藝上制作曲工藝線的設(shè)備亦相似，但不同的制作工藝和不同的器件結(jié)構(gòu)使二者在器件的能力與性能上具有相當(dāng)大的差別。可見 CMOS與 CCD圖像傳感器互為補(bǔ)充，不會(huì)出現(xiàn)誰消滅誰的結(jié)局，在可預(yù)見的未來將并存發(fā)展，共同繁榮圖像傳感器市場。根據(jù) KODAK公司的預(yù)測，未來 10年 CCD仍將占據(jù)高性能圖像傳感器市場， CMOS隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與成熟，也將在高端市場占據(jù)一席之地。在低端市場， CMOS將擠占大半 CCD圖像傳感器原占的市場，成為低端市場的主流。 11 CCD/CMOS工作原理 無論是 CCD還是 CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（ photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對(duì)應(yīng)。但在周邊組成上，CCD的感光元件與 CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了 感光二極管之外，包括一個(gè)用于控制相鄰電荷的存儲(chǔ)單元，感光二極管占據(jù)了絕大多數(shù)面積 —換一種說法就是， CCD感光元件中的有效感光面積較大，在同等條件下可接收到較強(qiáng)的光信號(hào)，對(duì)應(yīng)的輸出電信號(hào)也更明晰。而 CMOS感光元件的構(gòu)成就比較復(fù)雜，除處于核心地位的感光二極管之外，它還包括放大器與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，每個(gè)像點(diǎn)的構(gòu)成為一個(gè)感光二極管和三顆晶體管，而感光二極管占據(jù)的面積只是整個(gè)元件的一小部分，造成 CMOS傳感器的開口率遠(yuǎn)低于 CCD（開口率：有效感光區(qū)域與整個(gè)感光元件的面積比值）；這樣在接受同等光照及元件大小相同的情況下， CMOS感光元件所能捕捉到的光信號(hào)就明顯小于 CCD元件，靈敏度較低；體現(xiàn)在輸出結(jié)果上，就是 CMOS傳感器捕捉到的圖像內(nèi)容不如 CCD傳感器來得豐富，圖像細(xì)節(jié)丟失情況嚴(yán)重且噪聲明顯，這也是早期 CMOS傳感器只能用于低端場合的一大原因。 CMOS開口率低造成的另一個(gè)麻煩在于，它的像素點(diǎn)密度無法做到媲美 CCD的地步，因?yàn)殡S著密度的提高，感光元件的比重面積將因此縮小，而 CMOS開口率太低，有效感光區(qū)域小得可憐，圖像細(xì)節(jié)丟失情況會(huì)愈為嚴(yán)重。因此在傳感器尺寸相同的前提下， CCD的像素規(guī)模總是高于同時(shí)期的 CMOS傳感器，這也 是 CMOS長期以來都未能進(jìn)入主流數(shù)碼相機(jī)市場的重要原因之一。 每個(gè)感光元件對(duì)應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。在這方面，不同的傳感器廠商有不同的解決方案，最常用的做法是覆蓋 RGB紅綠藍(lán)三色濾光片，以 1： 2：1的構(gòu)成由四個(gè)像點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)彩色像素（即紅藍(lán)濾光片分別覆蓋一個(gè)像點(diǎn)，剩下的兩個(gè)像點(diǎn)都覆蓋綠色濾光片），采取這種比例的原因是人眼對(duì)綠色較為敏感。而索尼的四色 CCD技術(shù)則將其中的一個(gè)綠色濾光片換為翡翠綠色（英文 Emerald， 有些媒體稱為 E通道），由此組成新的 R、 G、 B、 E四色方案。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。 在接受光照之后，感光元件產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電流，電流大小與光強(qiáng)對(duì)應(yīng)，因此感光元件直接輸出的電信號(hào)是模擬的。在 CCD 傳感器中，每一個(gè)感光元件都不對(duì)此作進(jìn)一 12 步的處理，而是將它直接輸出到下一個(gè)感光元件的存儲(chǔ)單元，結(jié)合該元件生成的模擬信號(hào)后再輸出給第三個(gè)感光元件，依次類推，直到結(jié)合最后一個(gè)感光元件的信號(hào)才能形成統(tǒng)一的輸出。由于感光元件生成的電信號(hào)實(shí)在太微弱了，無法直接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工 作，因此這些輸出數(shù)據(jù)必須做統(tǒng)一的放大處理 —這項(xiàng)任務(wù)是由 CCD 傳感器中的放大器專門負(fù)責(zé)，經(jīng)放大器處理之后，每個(gè)像點(diǎn)的電信號(hào)強(qiáng)度都獲得同樣幅度的增大；但由于 CCD 本身無法將模擬信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，因此還需要一個(gè)專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行處理，最終以二進(jìn)制數(shù)字圖像矩陣的形式輸出給專門的 DSP處理芯片。而對(duì)于 CMOS 傳感器，上述工作流程就完全不適用了。 CMOS 傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號(hào)之后，電信號(hào)首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的 數(shù)字信號(hào)。換句話說，在 CMOS 傳感器中，每一個(gè)感光元件都可產(chǎn)生最終的數(shù)字輸出，所得數(shù)字信號(hào)合并之后被直接送交 DSP 芯片處理 —問題恰恰是發(fā)生在這里， CMOS 感光元件中的放大器屬于模擬器件，無法保證每個(gè)像點(diǎn)的放大率都保持嚴(yán)格一致，致使放大后的圖像數(shù)據(jù)無法代表拍攝物體的原貌 —體現(xiàn)在最終的輸出結(jié)果上，就是圖像中出現(xiàn)大量的噪聲，品質(zhì)明顯低于 CCD傳感器。 CMOS集成電路特點(diǎn) CMOS傳感器是當(dāng)前被普遍采用圖像傳感器之一，是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。在 CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會(huì)鄰近一個(gè)放大器 A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)辒出，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)位、攝像質(zhì)量無過高要求的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展， CMOS 圖像傳感器正在向高靈敏度、高分辨率、高動(dòng)態(tài)范圍、集成化、數(shù)字化、智能化的 “片上相機(jī) ”解決方案方向發(fā)展。芯片加工工藝不斷發(fā)展 , 從 μm→ μm→ μm→ μm, 接口電壓也在不斷降低 , 從 5 V→ V→ V/ V→ V/ V 。研究人員致力于提高 CMOS 圖像傳感器的綜合性能 , 縮小單元尺寸 , 調(diào)整 CMOS 工藝參數(shù) , 將數(shù)字信號(hào)處理電路、圖像壓縮、通訊等電路集成在一起 , 并制作濾色片和微透鏡陣列 , 以實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、低噪聲、高度集成的單芯片成像微系統(tǒng)。圖像傳感器選用 CMOS 圖像傳感器 OV7670。它體積小、工作電壓低，提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能。通過 SCCB 總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率 8 位影響數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品 VGA 圖像最高達(dá)到 30 幀 /秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。 13 功耗低： CMOS集成電路采用場效應(yīng)管，且都是互補(bǔ)結(jié)構(gòu)，工作時(shí)兩個(gè)串聯(lián)的場效應(yīng)管總是處于一個(gè)管導(dǎo)通，另一個(gè)管截止的狀態(tài)，電路靜態(tài)功耗理論上為零。實(shí)際上，由于存在漏電流， CMOS電路尚有微量靜態(tài)功耗。單個(gè)門電路的功耗典型值僅為20mW，動(dòng)態(tài)功耗（在 1MHz工作頻率時(shí)）也僅為幾 mW。 范圍寬： CMOS集成電路供電簡單，供電電源體積小，基本上不需穩(wěn)壓。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在 3~18V電壓下正常工作。 邏輯擺幅大： CMOS集成 電路的邏輯高電平 “1”、邏輯低電平 “0”分別接近于電源高電位 VDD及電影低電位 VSS。當(dāng) VDD=15V， VSS=0V時(shí)，輸出邏輯擺幅近似 15V。因此， CMOS集成電路的電壓電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標(biāo)是較高的。 力強(qiáng)： MOS集成電路的電壓噪聲容限的典型值為電源電壓的 45%，保證值為電源電壓的 30%。隨著電源電壓的增加，噪聲容限電壓的絕對(duì)值將成比例增加。對(duì)于VDD=15V的供電電壓（當(dāng) VSS=0V時(shí)），電路將有 7V左右的噪聲容限。 輸入阻抗高： MOS集成電路的輸入端一般都是由保護(hù)二極管和串聯(lián)電阻構(gòu)成的保護(hù) 網(wǎng)絡(luò)，故比一般場效應(yīng)管的輸入電阻稍小，但在正常工作電壓范圍內(nèi)，這些保護(hù)二極管均處于反向偏置狀態(tài)，直流輸入阻抗取決于這些二極管的泄露電流，通常情況下，等效輸入阻抗高達(dá) 103~1011Ω，因此 CMOS集成電路幾乎不消耗驅(qū)動(dòng)電路的功率。 溫度穩(wěn)定性能好：于 CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且， CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對(duì)稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，某些參數(shù)能起到自動(dòng)補(bǔ)償作用，因而 CMOS集成電路的溫度特性非常好。一般陶瓷金屬封裝的電路，工作溫度為 55 ~ +125℃ ；塑料封裝的電路工作溫度范 圍為 45 ~ +85℃ 。 扇出能力強(qiáng)：扇出能力是用電路輸出端所能帶動(dòng)的輸入端數(shù)來表示的。由于 CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當(dāng) CMOS集成電路用來驅(qū)動(dòng)同類型，如不考慮速度一般可以驅(qū)動(dòng) 50個(gè)以上的輸入端。 抗輻射能力強(qiáng)： CMOS集成電路中的基本器件是 MOS晶體管，屬于多數(shù)載流子導(dǎo)電器件。各種射線、輻射對(duì)其導(dǎo)電性能的影響都有限，因而特別適用于制作航天及核實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 可控性好： CMOS集成電路輸出波形的上升和下降時(shí)間可以控制，其輸出的上升和下降時(shí)間的典型值為電路傳輸延遲 時(shí)間的 125%~140%。 14 接口方便：因?yàn)?CMOS集成電路的輸入阻抗高和輸出擺幅大，所以易于被其他電路所驅(qū)動(dòng)，也容易驅(qū)動(dòng)其他類型的電路或器件。 通過 SCCB 總線設(shè)置 OV7670 的幀頻 系統(tǒng)上電后需要對(duì) CMOS 圖像傳感器進(jìn)行初始化 , 以確定采集圖像的開窗位置、開窗大小和黑白工作模式等。這些參數(shù)是受 OV7670 內(nèi)部相應(yīng)寄存