CMOS圖像感應(yīng)器芯片OV5017及其應(yīng)用

1、CMOS圖像傳感器芯片OV5017及其應(yīng)用1 CMOS®像傳感器的一般特征目前，CCD(電荷耦合器件)是主要的實用化固態(tài)圖像傳感器件，它具有讀取噪聲低、動態(tài) 范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點。但CCD術(shù)術(shù)難以與主流的 CMO跋術(shù)集成于同一芯片之中。這樣，諸如定時產(chǎn)生、驅(qū)動放大、自動曝光控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號處理等支持電路就不能與像素陣列做同一芯片上，以CCD基基礎(chǔ)的圖像傳感器難以實現(xiàn)單片一體化，因而具有體積大、功耗高等缺點。CMOSB像傳感器是近向年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同的CMO9術(shù)，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上。實際上，CMOS®像傳感器是

2、一個較完成的圖像系統(tǒng)(Cameraon Chip ),通常包括：一個圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的 時序邏輯、可編程功能和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其基本結(jié)構(gòu)見圖1。與CCDf比，CMOSB像傳感器將整個圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有以下優(yōu)點：(1)體積小、重量輕、功耗低；(2)編程方便、易于控制；(3)平均成本低。2 OV5017的性能與特點2.1 OV5017的基本性能OV5017是美國OmniVision公司開發(fā)的CMOSI白圖像傳感器芯片， 該芯片將CMO洸感應(yīng)核 與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數(shù)混合輸出等功能，其輸出的視頻為黑白圖像，與 CCIR標(biāo)準(zhǔn)兼容。OV5017芯片的基

3、本參數(shù)為：(1)圖像尺寸 4.2mmX 3.2mm,像素尺寸11科mx 11科m;(2)信噪比 SNR>42dB; 幀頻50時，最小照度為 0.5luxf1.4 ;(4)幀頻50時，峰值功耗小于 100mW/OV5017輸出模擬視頻信號，格式為逐行掃描。OV5017內(nèi)部嵌入了一個8bit的A/D,因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流 D70。在輸出數(shù)字視頻流的同時，還提供像素時鐘PCLK水平參考信號 HREF垂直同步信號 VSYNC便于外部電路讀取圖像。OV5017的像素陣列為 384X 288,分為16X16的子塊，每個子塊大小為24X18,可以在整個圖像的局部開窗，輸出窗口中的圖像。2.

4、2 OV5017的編程功能OV5017具有豐富的編程控制功能，其圖像幀頻、曝光時間、增益控制、Gamm技正、圖像開窗等均可通過對芯片內(nèi)部寄存器的讀寫進(jìn)行設(shè)置，數(shù)字視頻流的輸出也必須通過對寄存器讀取才能實現(xiàn)。芯片內(nèi)部有11個8位寄存器，通過對地址線A3.0的設(shè)置來選擇寄存器，通過讀寫數(shù)據(jù)線7.0來讀取或設(shè)置寄存器。在對寄存器進(jìn)行讀(或?qū)? 時，應(yīng)使片選 CSB與輸出使能 OEB(或定使能 WEB有效。CSRcttt'圖】幡出具第撕第時序加地址號10xx的寄存器為視頻數(shù)據(jù)端口，它是只讀的，當(dāng)選中并讀取它時，芯片向外輸出數(shù)據(jù)視頻流。地址號0000的寄存器為狀態(tài)寄存器，它是只讀的，反映芯片的某

5、些狀態(tài)。地址號0001的寄存器為幀控制寄存器，它是只寫的，用于控制幀與行的同步信號。地址號0010的寄存器為曝光控制寄存器，它是讀寫的，可選擇自動曝光，也可選擇手工曝光。曝光時間控制在 1幀至1/100幀之間。地址號0011的寄存器為增益控制寄存器，它是讀寫的，當(dāng)手工曝光時，增益控制在018dB之間。地址號0100的寄存器為幀頻控制寄存器，它是讀寫的，幀頻控制在500.5fps之間。地址號0101的寄存器為雜項控制寄存器，它是讀寫的，負(fù)責(zé)設(shè)置Gamm藪正、圖像象、背景光補(bǔ)償、圖像銳化等功能。地址號0110與0111的寄存器為窗口控制寄存器，它們均是讀寫的，負(fù)責(zé)設(shè)置窗口的水平尺寸、水平位置、垂直

6、尺寸、垂直位置，以確定圖像中的一個窗口。地址號1110與1111的寄存器保留，用于測試。2.3 數(shù)字圖像的輸出OV5017中數(shù)字視頻流的輸出必須通過對芯片內(nèi)視頻數(shù)據(jù)端口，即地址號為10xx的寄存器的讀取來實現(xiàn)。其步驟為：(1)設(shè)置地址總線 A3.0為10xx;(2)使能片選CS。輸出使能OEB若需輸出局部圖像則應(yīng)事先設(shè)置窗口控制寄存器。數(shù)字視頻流輸出的時序如圖2所示。圖中，TPHD TCLKF降沿至 HREFW效，最大 25ns；TPDD PCLK±升沿至視頻數(shù)據(jù)有效，最大 25ns；VD視頻數(shù)據(jù)。因篇幅所限，這里僅給出圖像一行中 4個像素輸出的時序。 根據(jù)圖2所示時序，外部電路就

7、可以讀取芯片輸出的圖像數(shù)據(jù)。3基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)基于OV5017的圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。在本系統(tǒng)中，OV5017作為系統(tǒng)的圖像傳感器，其內(nèi)部將獲取的圖像采集量化，在外部邏輯的控制下輸出數(shù)字圖像，存入圖像存儲器。這里，OV5017的管腳A3.0與D3.0復(fù)用共同的外部數(shù)據(jù)線，因此加一個鎖存器將它們分開。在讀寫OV5017的內(nèi)部寄存器時，需分兩個操作進(jìn)行，即先選擇寄存器，再讀定該寄存器。同時，為避免總線沖突，TMS320C31的低8位數(shù)據(jù)線與OV5017的數(shù)據(jù)之間和TMS320C31的地址線與采集地址之間各加了一個總線隔 離。系統(tǒng)讀取圖像的過程為：(1)對譯碼與時序發(fā)生器初始化；

8、(2)視需要設(shè)置 OV5017的內(nèi)部控制寄存器，如曝光控制、增益控制、窗口控制等；(3)選擇OV5017的視頻數(shù)據(jù)端口，即寄存器 10xx;(4) TMS320C31向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號，通知開始采集圖像；(5)譯碼與時序發(fā)生器使能總線隔離，并根據(jù)OV5017輸出的參考信號，即 VSYNC HREF與PCLK生成圖像存儲器的片選、寫及地址信號。這樣數(shù)字圖像即以連續(xù)的方式存入圖像 存儲器中；（6） TMS320C31向譯碼與時序發(fā)生器發(fā)信號，通知停止采集圖像，OV5017則停止輸出數(shù)字圖像。在圖像采集過程中，TMS320C3何訪問除圖像存儲器與 OV5017以外的其他存儲器或端口。該系統(tǒng)由于

9、省略了 A/D等器件，因而具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低等優(yōu)點。同時，由于 OV5017內(nèi)部嵌入曝光、增益、開窗等控制電路，并且編程方便，這就提高了采集系統(tǒng)在功 能上的靈活性。本系統(tǒng)適合于監(jiān)控、多媒體等應(yīng)用范圍。嵌入式系統(tǒng)中CMOS圖像傳感器接口技術(shù)背景目前數(shù)字?jǐn)z像技術(shù)，主要采用兩種方式：一種是使用CCD（電容耦合器件）圖像傳感器，另一種是使用CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）圖像傳感器。CCD圖像傳感器具有讀取噪聲低、動態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點。但 CCD技術(shù) 難以與主流的CMOS技術(shù)集成于同一芯片之中。因而 CCD圖像傳感器具有體積大、功耗 高等缺點。CMOS圖像傳感器是近些年發(fā)展較快的新

10、型圖像傳感器，由于采用了CMOS技術(shù)，可以將像素陣列與外圍支持電路 （如圖像傳感器核心、單一時鐘、所有的時序邏輯、可編程功 能和模數(shù)轉(zhuǎn)換器）集成在同一塊芯片上。因此與 CCD相比，CMOS圖像傳感器將整個圖像 系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點。對于 手持式設(shè)備來說，體積和功耗是進(jìn)行軟硬件設(shè)計時重點考慮的問題，因此 CMOS圖像傳感 器應(yīng)用在手持式設(shè)備當(dāng)中將會有廣闊的前景。文中將就嵌入式系統(tǒng)中設(shè)計 CMOS圖像傳感器的圖像采集設(shè)備硬件接口技術(shù)和軟件驅(qū)動進(jìn)行研究。系統(tǒng)硬件設(shè)計嵌入式系統(tǒng)硬件平臺選擇摩托羅拉 MC9328MX1 處理器基于 ARM920T 嵌

11、入式處理器內(nèi)核，能工作于高達(dá)200MHz 的主頻。它集成了許多模塊，支持接口模塊、 GPIO(General Purpose I/O) 接口模塊、時鐘產(chǎn)生模塊(CGM ， Clock Generation Module) 等，為各種外設(shè)提供了靈活的接口控制功能。摩托羅拉MC9328MX1 處理器內(nèi)置的 CSI(CMOSSensor Interface) 模塊提供了時序控制模塊，可以適應(yīng)不同 CMOS 圖像傳感器的要求。COMS 圖像傳感器的選擇ICM105C 是 IC Media 公司生產(chǎn)的一種單芯片數(shù)字彩色圖像器件，使用 1/4 英寸的光學(xué)系統(tǒng)。它內(nèi)置了一個640X480(650X490物理

12、像素)傳感器陣列、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和相關(guān)雙采樣電路。它的控制部分使用 I2C 總線，只需要一個I2C 總線的從設(shè)備地址就可以對其內(nèi)部的控制和狀態(tài)寄存器進(jìn)行設(shè)置和讀取。 ICM105C 輸出的是貝葉爾格式的圖像數(shù)據(jù)，其中的 RGB 顏色分量可以被數(shù)字增益所調(diào)整，可以反饋給嵌入式處理器進(jìn)行色彩處理或壓縮。接口電路的設(shè)計接口電路設(shè)計主要應(yīng)考慮圖像傳感器的電源驅(qū)動控制電路的接口以及數(shù)據(jù)輸出電路的接口。 ICM105C 使用 3V 的電源驅(qū)動、 24MHz 的時鐘頻率，輸出 8 位的數(shù)據(jù)，控制部分主要使用總線，要保證 ICM105C 正常工作必須提供這些條件。(1) 電源驅(qū)動電路的設(shè)計。由于CMOS 圖像傳感

13、器是電源敏感元件，如果電源不穩(wěn)會給成像效果造成很大影響。ICM105C對于供電電壓的要求為3V,最小2.8V,最大3.1V ,并且分開了數(shù)字電源和模擬電源。但是主處理板只提供了單3V 的電源，而且這個電源同時提供給主處理板芯片使用， 所以必須采取相應(yīng)的機(jī)制保證電源的穩(wěn)定和數(shù)字電源和模擬電源的隔離， 同時本系統(tǒng)的另一個設(shè)計目標(biāo)是小型化和簡單化。 為了兼顧這兩者的要求， 電源設(shè)計舍棄了使用復(fù)雜的穩(wěn)壓芯片的方案， 僅使用電容和電感來穩(wěn)定電壓和消除數(shù)字電源和模擬電 源之間的干擾，其電路圖如圖 1 所示。圖1電源驅(qū)動原理圖VDD 3V是主板提供的電源， VCCD和VCCA分別是提供給ICM105C 的數(shù)

14、字電源和 模擬電源，其中L1, L4, C1 , C3起到隔離數(shù)字電源和模擬電源及濾波的作用。數(shù)字地和 模擬地也用電感消除干擾。(2)數(shù)據(jù)輸出接口電路設(shè)計。摩托羅拉MC9328MX1處理器內(nèi)置的CSI模塊提供了時序 控制模塊，這樣可以簡化電路的設(shè)計，只需要將8位數(shù)據(jù)線和輸出時鐘還有場頻、行頻和ICMI 口工PCLK CLKIN HSYNC VSYNC DOLTT7:OJ像素時鐘與CSI模塊連接即可保證處理器的正確采集數(shù)據(jù)。具體的邏輯連接關(guān)系如圖 2所 CSlPiXCLK CS(_MCLK CSLHSYNC .C5LVSYNC C5I_D7圖2 ICM105C和主處理板的邏輯連接圖其中時鐘線是從

15、 MC9328MX1 輸入24MHz的時鐘信號，PCLK是CMOS輸出的像素時鐘，VSYNC是場頻，HSYNC是行頻，DOUT0-7為輸出的數(shù)據(jù)。其時序關(guān)系如圖3所ICM105C 的引腳37控示。DOUT7 : 0在PCLK時鐘上升沿有效， HSYNC和VSYNC處于低電平時有效。為了達(dá)到這種時序效果需要對芯片的某些引腳進(jìn)行正確地初始化設(shè)置。HSYNC 和 VSYNC 同制數(shù)據(jù)的同步模式，用上拉電阻接高電平，這樣可以使傳感器輸出 步信號。_rr_rL_rL_FLnltl _n_nOOUTPX) "XXXHSYNC L：I1，|VSYfC1-1圖3 ICM105C的數(shù)據(jù)輸出時序圖HSY

16、NC和VSYNC的極性也可以進(jìn)行配置，將引腳46和47接地，這樣HSYNC和SYNC在有效時為低電平。引腳 14為時鐘選擇信號，將其接地表示使用外部時鐘，這樣內(nèi) 部晶振輸入引腳12、13就可以懸空。(3)控制電路設(shè)計。要使傳感器正常工作，必須對芯片內(nèi)部的寄存器進(jìn)行初始化。初始 化的工作必須通過傳感器的I2C接口進(jìn)行。ICM105C提供了一種硬件初始化的方式，如果引腳33在芯片啟動時為高電平，那么傳感器的I2C接口將首先工作在主設(shè)備模式下，并且試圖從外部的串行 EEPROM中讀取初始化數(shù)據(jù)。然后，傳感器又回到正常的從設(shè)備工作模 式下。為了使接口電路簡單化，直接用主處理板的I2C接口來控制傳感器，

17、將此引腳接地，使其工作在從模式，這樣 EEPROM 部分的電路就可以舍棄。軟件驅(qū)動CMOS圖像傳感器需要嵌入式系統(tǒng)的軟件驅(qū)動才能正常工作，并輸出正確的圖像數(shù)據(jù)。由于處理端的嵌入式系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，I2C接口的驅(qū)動程序已經(jīng)集成在操作系統(tǒng)內(nèi)部，中斷資源可以作為資源來申請，操作系統(tǒng)還提供了調(diào)用其它資源的接口函數(shù)，這極大地方便了驅(qū)動程序的編寫。在本次設(shè)計中采用了 Linux系統(tǒng)下模塊形式的字符設(shè)備驅(qū) 動程序的編寫方法。整個軟件驅(qū)動需要完成兩個功能模塊：接口的初始化模塊和接收輸出的數(shù)據(jù)。初始化(1) CSI模塊的初始化。根據(jù)ICM105C芯片的數(shù)據(jù)手冊，CSI的重置信號需要保持有效直

18、至輸入電壓保持恒定大于兩個時鐘周期，圖4是時序圖。SSTNVDDCIJCIN圖4軟重置信號時序圖由于主處理板是一上電就開始工作，而ICM105C的驅(qū)動程序必須在處理板上的操作系統(tǒng)啟動后才開始工作。尤其是時鐘信號只有在驅(qū)動加載后才開始提供給ICM105C ,要造成重置信號的時序效果，必須使用一個軟件控制的重置信號，在時鐘輸出到傳感器后至少兩個時鐘周期保持有效，然后拉高電平使之無效。在設(shè)計中，采用了摩托羅拉MC9328MX1處理器一個GPIO端口來實現(xiàn)軟重置信號。(2)設(shè)置時鐘，初始化I2C接口。ICM105C需要24MHz的時鐘，摩托羅拉的 MC9328 MX1處理板的外頻是96MHz ,因此需

19、要四分之一的主頻。只需要設(shè)置相應(yīng)的時鐘產(chǎn)生模 塊寄存器的值即可保證輸出24MHz。I2C總線的兩個信號線 SDA , SCL需要設(shè)置相應(yīng) GPIO的兩個引腳，使其用來進(jìn)行I2C傳輸。還需要掛載 Linux操作系統(tǒng)的I2C驅(qū)動，編寫I2C讀和寫的功能函數(shù)。需要注意的是ICM105C的I2C地址值為21H。(3)初始化CMOS傳感器。ICM105C內(nèi)部控制和狀態(tài)寄存器通過I2C總線來初始化 CMOS ,初始化序列(寄存器的地址、值序列)由IC Media公司提供，初始化完成后，就可以 接收到數(shù)據(jù)和時序信號了。接收數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)是驅(qū)動程序中最重要的一個部分，它需要協(xié)調(diào)好中斷和 DMA傳輸，保證數(shù)據(jù)的正

20、確接收，并且在出錯時能夠正確地恢復(fù)。這一部分的軟件流程如圖5所示。Jltff圖5 接收數(shù)據(jù)軟件流程圖其中在開始階段申請中斷和DMA資源并申請內(nèi)存空間存放接收的數(shù)據(jù)。中斷的主要任務(wù)是在每一幀開始時，開始DMA傳輸。DMA傳輸主要將從FIFO中讀出數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中， 并處理可能出現(xiàn)的錯誤。本例中一旦出現(xiàn)DMA傳輸錯誤就丟棄該幀。數(shù)據(jù)處理下面就是數(shù)據(jù)的處理模塊。由于接收到的數(shù)據(jù)還是原始數(shù)據(jù)，需要處理才能形成最終的圖像數(shù)據(jù)。具體的處理過程如下：(1)線性插值。由于制彳工藝的問題， CMOS圖像傳感器中的感光點只能放置一種濾色片，也就是說它的每個物理像素點只能感應(yīng)R或G或B一種顏色，這就是貝葉爾格式的數(shù)

21、據(jù)(如圖6所示)。它必須經(jīng)過插值運算才能得到每個像素的RGB值。RGRGRGGBGBGBRGRC-RGGBGBGBRGRGRGGBGBGB圖6 貝葉爾格式(Bayer pattern)由上圖可以看出，每個像素點都有8個相鄰的像素點，而且這 8個像素點的顏色分量與此像素點不同。插值算法就是依據(jù)相鄰的像素點的顏色值的空間相關(guān)性原理進(jìn)行的。其處理方法如下：a.只有R顏色分量的像素點，其 G顏色分量由周圍4個G的平均值計算得出。B顏 色分量由周圍4個B的平均值計算得出。b.只有B顏色分量的像素點，其R顏色分量由周圍4個R的平均值計算得出，G顏色 分量由周圍4個G平均值計算得出。c.只有G顏色分量的像素

22、點，其R顏色分量由上下 2個R的平均值計算得出，B顏色 分量由左右2個B平均值計算得出。經(jīng)過插值運算，每個像素點的 RGB都得出了，這就形 成了完整的圖像數(shù)據(jù)。(2)白平衡。任何物體在不同的光線下具有不同的色溫。所謂色溫，簡而言之，就是定 量地以開爾文溫度表示色彩。色溫越高，物體的藍(lán)色分量就越多； 色溫越低，物體的紅色分量就越多。由于人眼具有自調(diào)節(jié)性，所以即使物體色溫不同，也能正確識別出顏色。但是CMOS圖像傳感器沒有自調(diào)節(jié)性，所以當(dāng)在戶外日光下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色 溫高而偏藍(lán)。而在室內(nèi)的熒光燈下拍攝物體時，物體的顏色就會因為色溫低而偏紅。要得到正確的顏色，必須進(jìn)行白平衡。白平衡的

23、基本原理是調(diào)整顏色的色溫，使其保持在一個特定的范圍內(nèi)。在此接口的應(yīng)用中采用了一個較簡單的白平衡方法，其處理過程如下：a.首先求出一幅圖像的數(shù)據(jù)每個顏色分量的平均值:Color皿=MAX/員，G,BIb.求出最大的平均值：Color皿=MAX，瓦 G,瓦c.求出每個顏色數(shù)據(jù)的白平衡后的校正值:Ri = Rj XfCol0rmK RIG； = G Xfds皿 Bj = Bt XfCoiorMf/瓦經(jīng)過這樣的運算就得到了白平衡后的數(shù)據(jù)。目前白平衡還沒有很好的算法來處理一切情 況，這只是一個簡單的算法。結(jié)論文中提出的ICM105C圖像傳感器的接口技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用在二維條碼識讀器當(dāng)中，為了實際應(yīng)用的需要

24、，ICM105C的電路模塊被設(shè)計成只有35m/35mm大小，通過一個 20芯的排線與主處理板連接。正常工作時功耗低于50mW,采集的圖像數(shù)據(jù)良好，而且可以通過軟件來控制圖像傳感器的工作方式，非常適用于手持式設(shè)備的應(yīng)用。圖像傳感器與軟件圖像處理流水線當(dāng)今數(shù)碼照相機(jī)基本都是基于電荷耦合器件（CCD）或CMOS傳感器技術(shù)。這兩種技術(shù)都能將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，但它們的轉(zhuǎn)換方式不同。在CCD組件中，由數(shù)百萬光敏像素組成的陣列覆蓋在CCD傳感器的表面。在傳感器曝光后，首先CCD的末端讀出覆蓋整個 CCD像素陣列上的累積電荷，然后經(jīng)模擬前端（AFE）芯片或CCD處理器數(shù)字化。另外一種傳感器，CMOS傳感器可

25、直接將每個像素單元的曝光程度數(shù)字化。通常，CCD具有最高的圖像質(zhì)量和最低的噪聲，但是其功耗較高。CMOS傳感器容易制造并且具有低功耗特性， 但是其圖像質(zhì)量較低。 部分原因是因為位于每個像素的晶體管容易阻 擋到達(dá)像素的部分光信號。然而，如果在質(zhì)量競爭過程中與CCD比價格，那么CMOS具有優(yōu)勢，并且目前采用 CMOS傳感器的中擋數(shù)碼照相機(jī)的數(shù)量越來越多。無論數(shù)碼照相機(jī)內(nèi)部采用哪種傳感器，傳感器陣列的所有像素都需對灰度等級靈敏一一從全暗（黑）到全亮（白）。對灰度等級敏感程度被稱為“比特深度”。因此，8 bit像素可區(qū)分28或256個灰度梯度，而12 bit像素可區(qū)分4096個灰度梯度。分層的整個像素

26、陣列是一種 將每個像素分為幾個對顏色敏感的“子像素”的濾色鏡。這種安排允許測量每個像素單元不同顏色的成分。因此，每個像素單元的顏色可看作是紅色（ R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）通 道光的成分以加法方式疊加的總和。比特深度越高，RGB空間能產(chǎn)生的顏色越豐富。例如,24 bit顏色（R、G和B每通道為8 bit）可產(chǎn)生224或1,670萬種離散的顏色。為了恰當(dāng)?shù)乇硎静噬珗D像，每個像素單元，每個傳感器需要3種顏色采樣一一最通常是 R,G和Bo然而，為每個數(shù)碼照相機(jī)配備 3個單獨的傳感器并不是經(jīng)濟(jì)有效的解決方案 （雖然 最近這種解決方案變得比較實際）。而且，當(dāng)傳感器的分辨率增加到 5百萬1千萬像素時，

27、就會需要一些圖像壓縮格式防止為每個像素單元需要輸出3個字節(jié)（或更壞情況下，對于更高分辨率的傳感器，還會需要輸出 3個12 bit字）。不用擔(dān)憂，因為數(shù)碼照相機(jī)生產(chǎn)廠商已經(jīng)開發(fā)出了減少必要的顏色采樣數(shù)目的巧妙方法。最常用的方法是采用色彩濾鏡陣列（CFA）,它僅測量任何給定像素單元的一種顏色。然后，用圖像處理器對測量結(jié)果進(jìn)行插值運算以便看起來好像在每個像素單元測量了3種顏色。當(dāng)今最流行使用的 CFA是Bayer模式，如圖1所示。該方案由 Kodak創(chuàng)立，它利用這樣的 原理：人眼對綠色成分的識別靈敏度大于紅色或藍(lán)色。因此，在Bayer濾光鏡陣列中，通過綠色濾光鏡的光強(qiáng)是通過藍(lán)色濾光鏡或紅色濾光鏡的兩

28、倍。這便引出一種通常稱作的“4:2:2RGB”的輸出格式，即每發(fā)送 2份紅色光和2份藍(lán)色光就又應(yīng)發(fā)送 4份綠色光。圖1: Bayer模式圖像傳感器排列圖像傳感器的連接CMOS傳感器通常按照 YCbCr或RGB格式輸出像素單元的并行數(shù)據(jù)流，同時伴隨水平同步和垂直同步以及像素時鐘。有時，它們允許使用外部時鐘和同步信號來控制來自傳感器的幀圖像輸出。另一方面，CCD傳感器通常需要隨后連接“模擬前端（ AFE）”芯片，例如 AD9948 ,它可 處理模擬輸出信號、將其數(shù)字化并且產(chǎn)生掃描 CCD陣列的合適時序。處理器為AFE提供同 步信號，它需要這種控制信號來管理 CCD陣列。從AFE輸出的并行數(shù)據(jù)流可能

29、為每像素單 元提供10 bit或12 bit的分辨率。最近，低電壓差分信號傳輸（ LVDS）技術(shù)已經(jīng)成為取代并行數(shù)據(jù)總線的重要方法。LVDS技術(shù)是一種低成本、低引腳數(shù)和高速串行的連接方法，它比標(biāo)準(zhǔn)并行方案提高了抗噪聲性能并且降低了功耗。隨著傳感器分辨率和色深度增加以及便攜式多媒體應(yīng)用越來越普遍，這種LVD連接方法顯得格外重要，圖像流水線當(dāng)然，照相過程并不是終止于傳感器，相反， 傳感器僅是處理過程的開始。 讓我們看一下原 始圖像在顯示器上呈現(xiàn)出精美的圖像之前是什么樣子。在數(shù)碼照相機(jī)中，這些處理階段的順序被稱為“圖像處理流水線”，或簡稱為“圖像流水線”。請參見圖2所示的一個數(shù)據(jù)流程。 這些算法通常

30、由多媒體處理器來完成，例如 ADI公司的Blackfin處理器系列。CC 口八町圖2:軟件圖像處理流水線流程示例機(jī)械反饋控制在你平靜地釋放快門按鈕之前，聚焦和曝光系統(tǒng)與照相機(jī)的機(jī)械部件一起工作，根據(jù)場景特性控制鏡頭的位置。自動曝光算法測量分立景物區(qū)域的亮度，通過調(diào)節(jié)快門速度和（或）光圈以對曝光過度或曝光不足的區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)償。我們的主要目標(biāo)是維持圖像中不同區(qū)域之間的相對對比度并且達(dá)到所要求的平均亮度。自動聚焦算法可分為兩類。其中主動算法采用紅外線或超聲波發(fā)射器和接收器估計照相機(jī)和 拍攝對象之間的距離。另一種被動算法是根據(jù)照相機(jī)所接收的圖像進(jìn)行聚焦。在這兩種子系統(tǒng)中，多媒體處理器通過其輸出的脈寬調(diào)制

31、（ PWM）信號控制各種鏡頭和快 門的電機(jī)。自動曝光控制功能還能調(diào)節(jié)傳感器的自動增益控制（ AGC）電路。預(yù)處理并且補(bǔ)償正如我們前面所討論的，傳感器的輸出需要灰度系數(shù)校正以滿足最終的顯示需求,傳感器捕獲響應(yīng)的非線性。因為傳感器通常含有很少的無效或缺陷像素， 所以常用的預(yù)處理技術(shù)可以通過中值濾波消除這些缺陷， 它根據(jù)這樣的原理： 當(dāng)光學(xué)處理有些模糊的圖像時像素之間的急劇變化是不正常的。鏡頭校正（暗影或畸變校正）這套算法解決了鏡頭輸出的圖像與用戶看到的實際場景相比產(chǎn)生畸變的物理屬性問題。 不同的鏡頭會產(chǎn)生不同的畸變； 例如， 廣角鏡頭會造成 “桶形畸變” 效應(yīng)， 而長焦鏡頭會產(chǎn)生 “枕形畸變” 效

32、應(yīng)。 鏡頭的陰影畸變降低了鏡頭周圍區(qū)域的圖像亮度。 色像差會使圖像周圍出現(xiàn)色彩條紋。因此多媒體處理器需要對圖像做數(shù)學(xué)變換以校正這些畸變。預(yù)處理的另外一方面是圖像穩(wěn)定性補(bǔ)償或信號交換校正。 這里， 處理器常借助于涉及到傳感器實時運動輪廓的外部傳感器器調(diào)節(jié)所接收圖像的平移運動。預(yù)處理的另外一個階段稱為白平衡。 當(dāng)我們看到一幅場景時， 無論照明條件如何， 我們的眼睛能將觀看到的所有場景都轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的自然光條件下的顏色。 例如， 我們所看到的蘋果應(yīng)是深紅色， 無論是在室內(nèi)的熒光燈下還是室外的陽光下。 然而， 圖像傳感器對顏色的 “感知”很大程度上取決于照明條件， 因此它需要將它映射成所要求的圖像以使其

33、最終的輸出看起來不受照明條件的影響。這種圖像映射過程可手動或自動完成。在手動系統(tǒng)中， 在將你的照相機(jī)對準(zhǔn)你確定是 “白色”的對象后， 然后將照相機(jī)移動到待拍照所有圖像的“色溫”區(qū)以適應(yīng)這種映射。另外一種自動白平衡（ AWB ）方法，使用圖像傳感器的輸入和額外的白平衡傳感器來確定什么是圖像中的“真正白色” 。它可調(diào)節(jié)圖像中R、 G 和 B 通道的相對增益。當(dāng)然， AWB 比手動方法需要更多的圖像處理能力，并且也是供應(yīng)商提供的知識產(chǎn)權(quán)算法?？柜R賽克、像素內(nèi)插、降噪以及輪廓增強(qiáng)抗馬賽克或色彩濾鏡陣列插值（ Demosaicking ） 可能是圖像流水線中最重要并且計算量最大的階段。通常各數(shù)碼照相機(jī)制

34、造商都有自己的“秘訣” ，但通常可將這些方法分成幾種主要的算法。雙線性插值或雙三次插值等非自適應(yīng)算法屬于最簡單易行的方法， 它們非常適合處理圖像的平滑區(qū)域。 然而， 用這些簡單的算法處理邊緣或紋理豐富的區(qū)域時會遇到問題。 自適應(yīng)算法根據(jù)局部圖像特點改變算法，從而可以提供較好的效果。自適應(yīng)算法的一個例子是基于邊緣重構(gòu)。 這種算法分析圍繞像素的區(qū)域并且確定在哪個方向上完成內(nèi)插。如果它在像素附近找到了邊緣， 則將沿著邊緣進(jìn)行插值， 而不是越過邊緣。另一種自適應(yīng)算法是假設(shè)整個對象是恒定色調(diào)， 這可以防止在個別對像中顏色梯度的突變。 還 有許多其它的抗馬賽克技術(shù)，包括頻域分析、貝葉斯判決準(zhǔn)則，以及神經(jīng)網(wǎng)

35、絡(luò)。顏色空間變換在這一階段，將內(nèi)插后的RGB圖像變換為目標(biāo)輸出顏色空間（如果還不是合適的顏色空間）。為了壓縮或在電視機(jī)上顯示圖像，這通常包括RGB YCbCr的矩陣轉(zhuǎn)換，通常還包括另外的灰度系數(shù)校正電路以適應(yīng)目的顯示器。在這一階段按照標(biāo)準(zhǔn) 4:2:2格式可能還要對 YCbCr輸出進(jìn)行顏色子采樣以便在幾乎不影響視覺效果的情況下減少顏色帶寬。后處理在這一階段，圖像在送到顯示器和（或）存儲媒體之前通過各種濾波作用完善圖像。例如， 邊緣輪廓增強(qiáng)、像素閾值處理以降低噪聲、以及人工顏色刪除通常都在這階段完成。顯示、壓縮和存儲如果圖像本身準(zhǔn)備用于瀏覽，圖像流水線會產(chǎn)生兩個不同的方向的分支。第一個分支，后處理

36、圖像輸出到目的顯示器，通常是集成液晶顯示（ LCD）屏（但是對于某種型號的數(shù)碼照相 機(jī)，有時是NTSC或PAL電視監(jiān)視器）。第二個分支，將圖像送到多媒體處理器運行壓縮算 法軟件，在將圖像本地存儲在存儲媒體（通常是非易失閃存卡）之前使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)壓縮技術(shù) （例如JPEG標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行壓縮。TC237B型CCD圖像傳感器的原理及應(yīng)用1引言TC237B是TI公司生產(chǎn)的一款1/3英寸的幀轉(zhuǎn)移方式的電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器。它有340000個像素，其中有效像素為 658x496,能廣泛應(yīng)用在黑白電視系統(tǒng)、電腦、工業(yè)檢 測等需要低成本和小尺寸的場合。TC237B的圖像感光區(qū)由500行像素組成，每行有 6

37、80個像素，其中每行有 22個像素用于 提供參考黑電平。它的反模糊特性基于一種先進(jìn)的橫向溢出漏級概念。傳感器能在低暗電流下，作為一款 658（H）x496（V）的傳感器在隔行模式下工作；同時， TC237B的另一個重要特 性是它能每幀采集 340000個像素。傳感器還具有高速圖像傳輸特性，并且能在不損失敏感 度和分辨率的情況下進(jìn)行持續(xù)電子曝光控制。感光電荷在一個高性能的，帶有復(fù)位和參考電平發(fā)生器的結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換成 13wV/e的信號電壓。產(chǎn)生的信號進(jìn)一步通過低噪音的二階信號源 輸出放大器進(jìn)行緩沖，從而提高輸出的驅(qū)動能力。TC237B型圖像傳感器采用了 TI公司特有的先進(jìn)虛擬階段 （AVP）技術(shù)。A

38、VP技術(shù)能使傳感器 具有高藍(lán)色響應(yīng)、低暗電流、高光響應(yīng)一致性和單相時鐘等優(yōu)點。2主要特點和引腳功能圖1示出TC237B型圖像傳感器采用12引腳雙列直插封裝的引腳排列，其引腳功能如表l所列。TC237B的主要特點如下：裳1 TC237B的引腳功能引腳名稱引腳號功能ADB|4放大極偏量電源電壓1AGI112圖像區(qū)域門IIAG22圖像區(qū)域門2ODB潮極反模糊偏置電源電壓0UT10UT26信號*出1信號出2RST7復(fù)位門SAG(10,11;存儲區(qū)門SKCg申行寄存器門一SUB3,9襯底 高分辨率，1/3英寸固態(tài)傳感器； 每場可達(dá)340000個像素； 幀存儲；具有658(H)x496(V)有效像素，兼容

39、電子調(diào)中； 有多種讀出模式特性：逐行掃描方式、隔行掃描方式、雙行同時讀出模式、圖像區(qū)行累加、拖影消減； 快速單脈沖圖像區(qū)清除特性； 能進(jìn)行1/60"1/50000秒的持續(xù)電子曝光控制； 7.4mx7.4 科 m 像素； 先進(jìn)橫向溢出漏級反模糊技術(shù)； 暗電流??； 感光反應(yīng)一致性高； 動態(tài)范圍大： 光敏感度高； 藍(lán)色響應(yīng)高； 無圖像老化、圖像殘留、圖像失真、圖像延遲或顫噪效應(yīng)等現(xiàn)象。3內(nèi)部結(jié)構(gòu)TC237B由4個基本功能模塊組成：圖像感光區(qū)、圖像存儲區(qū)、串行寄存器和帶有電荷檢測2所示。馴一ODB -【肥2二AM -0CT2-oirri圖像惠光區(qū)黑電平學(xué)考像素圖像有輔區(qū)!AG1SaCSAG

40、SUB SRGR3T清除漏極及獨立復(fù)位的低噪音信號處理放大器模塊，其原理框圖如圖圖2 TC2378的原理據(jù)圖3.1 圖像感光區(qū)和圖像存儲區(qū)圖像感光區(qū)和存儲區(qū)占據(jù)了 TC237B的大部分面積，分別擁有 340000個像素。當(dāng)光射進(jìn)圖 像感光區(qū)的硅元件時，將產(chǎn)生電子一一空穴對， 并聚集在勢阱之中。 在開始一段新的感光時間前，只需在溢出漏級施加1個1科s以上的脈沖就可以消除圖像。圖像存儲區(qū)的像素數(shù)和感光區(qū)的相同，尺寸比感光區(qū)的略小，并且被外殼遮蓋以免受到外界光的照射影響，這樣， 感光完成后一場感光電荷就可以傳送到存儲區(qū)。感光電荷從感光區(qū)傳送到存儲區(qū)的過程叫做并行傳輸。并行傳輸?shù)臅r間取決于讀出模式是隔

41、行掃描還是逐行掃描。當(dāng)使用逐行掃描模式時，信號還可以選擇單通道讀出或雙通道快速讀出。在圖像感光區(qū)的左部，每行有22個像素被金屬遮光屏覆蓋。這些暗像素可以為圖像的后繼處理電路提供黑參考電平。除此以外，在圖像感光區(qū)和圖像存儲區(qū)間有4行像素同樣被金屬遮光屏覆蓋，它們的存在避免了感光區(qū)的電荷泄漏到存儲區(qū)中。3.2 串行寄存器和信號讀出感光電荷在存儲區(qū)門和串行門的控制下將一行一行地從存儲區(qū)傳送到1個或2個寄存器。使用1個或2個寄存器取決于采用何種讀出模式。當(dāng)使用2個寄存器時，信號的讀出是并行的。當(dāng)像素被傳送到串行寄存器后，它們將隨時鐘送出并由一個電荷探測節(jié)點所檢測。探測節(jié)點必須在下一個像素到達(dá)之前先復(fù)位

42、到一個參考電平。而串行寄存器的讀出時序需要符合相關(guān)雙采樣（CDS）的要求。當(dāng)電荷送到探測節(jié)點上時，節(jié)點上的電勢按比例地轉(zhuǎn)變成相應(yīng)數(shù)量的 接收電荷。這種轉(zhuǎn)變由一個 MOS晶體管感測。信號在適當(dāng)緩沖后將提供給圖像傳感器的輸 出端。4在嵌入式圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用嵌入式圖像采集系統(tǒng)主要由 TC237B圖像傳感器、驅(qū)動電路、模擬前端、CPID、ARM7TDMI處理器、FIFO組、SDRAM存儲器等組成，其原理如圖 3所示。圖3圖像果集系統(tǒng)原理在本系統(tǒng)中，CPID是采集系統(tǒng)的控制核心， 也是TC237B的信號時鐘發(fā)生器。采集時，TC237B 在CPLD提供的驅(qū)動時鐘作用下完成光電轉(zhuǎn)換，并把圖像信號串行發(fā)送

43、到模擬前端。圖像信號經(jīng)過模擬前端的信號調(diào)整和A/D轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)化為8-bit的數(shù)字量。然后在 CPLD的調(diào)配下，經(jīng)過FIFO組的緩沖，由ARM處理器把數(shù)字量存放到 SDRAM中，從而實現(xiàn)圖像的采 集。如上所述.TC237B有多種讀出模式，本系統(tǒng)采用的是逐行掃描單通道輸出模式。選用這種 模式只需要輸出的 CCD信號使用1個通道的模/數(shù)轉(zhuǎn)換即可，從而使得后繼的信號處理變 得更為簡單，適合于對時間要求不特別高的場合。圖4示出TC237B采用逐行掃描單通道輸出時采集一幀圖像的時序。采集一幀圖像要經(jīng)過圖像清除、感光、并行傳輸和讀出4個階段。其中，讀出階段需時最長。當(dāng)需要采集時，ARM處理器發(fā)出采集信號，告

44、知 CPLD采集開始。在開始新的采集前，TC237B先復(fù)位先前所有的狀態(tài)并清除圖像信息。這種清除只需把ODB信號提升至26V并維持hxS以上即可。清除完成后，進(jìn)入感光期。感光時間也是曝光長度。短時間曝光會使 CCD受到較小的光子沖擊，形成一幅曝光不足的低照度圖像；相反，長時間曝光可形成一 幅感光過度的圖像。 在光線很弱的場所， 例如天文攝影，長時間曝光是必要的。設(shè)計者應(yīng)該 根據(jù)實際情況，配合光學(xué)系統(tǒng)，選擇適當(dāng)?shù)钠毓鈺r間。曝光時間完成后意味著光電轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，將進(jìn)入并行傳輸階段把電荷轉(zhuǎn)移出去。并行傳輸是由IAGl、IAG2、SRG、SAG四個信號的一系列時鐘脈沖完成的。圖像感光區(qū)是 二相結(jié)構(gòu)的，

45、lAGl門連接感光區(qū)的所有奇數(shù)行像素，IAG2門則連接了感光區(qū)的所有偶數(shù)行的像素。因此在并行傳輸階段，只要同時給IAGl門和1AG2門發(fā)1個脈沖，奇偶行的像素同時下移1個單位，從而實現(xiàn)l行像素下移到存儲區(qū)。這里 lAGl和IAG2脈沖信號必須沒 有相位差，否則會引起電荷的疊加，使圖像失真。由于存儲區(qū)是單相結(jié)構(gòu)，所以當(dāng)l行像素下移到存儲區(qū)后只需往 SAG門發(fā)送1個脈沖就可以把存儲區(qū)的所有像素下移1個單位，為接收感光區(qū)的下1行像素準(zhǔn)備空間。這樣，經(jīng)過 500個脈沖后1幀圖像就完成了幀存儲。用4果集一帙圖像的時序要注意的是，由于在并行傳輸期間感光區(qū)仍在感光，因此如果并行傳輸?shù)念l率太低，像素信號在傳送

46、到存儲區(qū)的同時仍在積累電荷，從而形成帶有垂直拖尾的圖像。這是在幀間轉(zhuǎn)移CCD中常見的問題。為了避免拖尾效應(yīng)，并行傳輸?shù)臅r間應(yīng)遠(yuǎn)小于感光時間。垂直拖尾百 分比（rs）可以按下式計算：(1/10) X1rlX 100%其中，txfer是并行傳輸時間；tint是感光時間；nIA是圖像的行數(shù)；僅fer是并行傳輸?shù)念l率。本系統(tǒng)并行傳輸?shù)念l率為2.5MHz ,曝光時間選為 1/60S,按照式（1）可求出垂直拖尾百分比為 0.125%。采集圖像的最后1個階段就是要把存儲區(qū)的像素經(jīng)過串行寄存器發(fā)送到輸出端。讀出期包含行傳輸和串行讀出過程，這 2個過程均由SAG和SRG的時鐘脈沖完成。首先在行傳輸期間,SAG信

47、號和SRG信號先后各以1個脈沖把一行像素送到串行寄存器 信號在684個時鐘脈沖驅(qū)動下把整個串行寄存器的所有像素逐一送出。幀圖像就從傳感器的輸出端發(fā)送出去。2中。然后，SRG 如此循環(huán)500次，一整個采集時間大約 154ms,可以滿足各種場合的需要。TC237B的整個工作時序的軟件設(shè)計是在MAX+plus n環(huán)境中用 VHDL語言實現(xiàn)的。根據(jù)時序的各個時段進(jìn)行有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計。各個狀態(tài)的轉(zhuǎn)移如圖5所示。RESETW«itkng圖5各個狀袤的轉(zhuǎn)移狀態(tài)A :空閑狀態(tài)；狀態(tài)B: CCD清除狀態(tài)；狀態(tài)C:感光狀態(tài)；狀態(tài)D:并行傳輸狀態(tài)；狀態(tài)E:把一行像素移進(jìn)串行寄存器;狀態(tài)F：串行讀出像素；狀

48、態(tài)G:完成。I2C總線的CMO固像傳感器接口電路設(shè)計電平時，SDAS '1跳變到0,表示開始信號；當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時，SDA 由0跳變到'l ,表示結(jié)束信號：在數(shù)據(jù)傳輸過程中，SDA&時鐘高電平時有效， 低電平時更換數(shù)據(jù)，開始和結(jié)束信號均由主I2C產(chǎn)生，通過SDA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字 節(jié)（8bit為單位，高位在前，低位在后，在每個字節(jié)后面由接收端發(fā)送一個低 電平的應(yīng)答信號本文設(shè)計了一種基于I2C控制總線的CMOSB像傳感器接口電路，能夠有效 控制CMO圖像傳感器的指令，產(chǎn)生數(shù)碼相機(jī)專用集成電路其他模塊的同步時序， 在MCU勺控制下完成取景和拍照操作，并支持多種規(guī)格的 CM

49、OSB像傳感器和液 晶顯示器2頂層設(shè)計根據(jù)所設(shè)計的數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的系統(tǒng)要求 2CMO圖像傳感器 接口用來控制最高達(dá)400萬像素多種規(guī)格的CMO圖像傳感器，并且在 MCU勺控 制下，能控制傳感器芯片的自動/手動曝光和自動/手動白平衡及其他芯片支持 的功能該接口電路能夠在取景和拍照兩種模式下工作，在取景模式下，實現(xiàn)可編程的降采樣處理，能夠輸出以4的倍數(shù)為基準(zhǔn)的任意分辨率的圖像，并接受多種規(guī)格的液晶顯木器，取景速度達(dá)到 30幀/ s （1根據(jù)上述功能要求將CMO圖像傳感器接口劃分為三個模塊：主I2C總線接 口模塊、寄存器文件接口和可編程降采樣模塊， 具總體框圖和輸入輸出端口線如 圖2所示端

50、口線主要有：和 MCUS口的連接，包括MCU_A電址總線）， MCU_D嗷據(jù)總線），MCU_nWR使能），MCU_nR就位能），MCU- nCS（MCUM乍 選中彳S號）和MCUnlNTli信號）和CMO圖展傳感器的連接，包括來自 CMOS 圖像傳感器的幀同步（VCLK）、行同步（HCLK）、像素同步（PCLK）、數(shù)據(jù)ADC（10位 CMO輸出的數(shù)值），以及I2C總線的SDA SCL SCCB_萼：和數(shù)碼相機(jī)專用 集成電路芯片的其他子模塊相連，如VSYNC同步）、HSYNC同步）、PSYNC制 素同步）、ADCOUT（出圖像數(shù)據(jù)卜3模塊設(shè)計3.1 寄存器文件模塊寄存器文件模塊包括一個中斷狀態(tài)機(jī)

51、和 MCUH口中斷狀態(tài)機(jī)用以控制主 I2C總線模塊，降采樣處理模塊和 MCUg 口的協(xié)調(diào)工作,它主要包括 5個狀態(tài):INT_DECIDE INT_I2C_READ INT_MCU_READNT_I2C_WRIT序口 INT_CLEAR 狀態(tài)機(jī)缺省狀態(tài)為 INT_DECIDEJ 決狀態(tài)，表示狀態(tài)機(jī)處于等待狀態(tài)：INT_I2C_READfe示I2C總線正在從CMO滕感器讀數(shù)據(jù)：INT_12C_WRIT表示I2C總線正在從CMO法感器寫數(shù)據(jù)：INT_MCU_READS MCUE從I2C上讀數(shù)據(jù)：INT_CLEA前示清中斷MCUg口通過給內(nèi)部寄存器讀寫參數(shù)，使 CMO圖像傳感器接口電路能夠?qū)?現(xiàn)取景、

52、拍照和軟復(fù)位的功能：并通過 I2C總線給CMO及感器的內(nèi)部參數(shù)寄存 器讀寫參數(shù)，實現(xiàn)對CMO滕感器進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，以充分發(fā)揮CMO法感器的 性能，其中內(nèi)部寄存器包括控制寄存器和降采樣寄存器，降采樣寄存器主要給降采樣處理模塊提供可編程所需要的參數(shù)控制寄存器為低4位有效，第0位為軟 復(fù)位位，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)設(shè)置該位為l時，整個接口置于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)設(shè) 置該位為0時，則取消復(fù)位狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)第1和第2位一起用來控制拍照 和取景操作，當(dāng)兩位均為1時表示拍照狀態(tài)：當(dāng)?shù)?位為1,第2位為0時表示 取景狀態(tài)；第3位用來表示中斷位3.2 主I2C總線接口集成智能傳感器的發(fā)展呈現(xiàn)出四大熱點電子自動化產(chǎn)業(yè)的

53、迅速發(fā)展與進(jìn)步促使傳感器技術(shù)、特別是集成智能傳感器技術(shù)日趨活躍發(fā)展，近年來隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，國外一些著名的公司和 高等院校正在大力開展有關(guān)集成智能傳感器的研制， 國內(nèi)一些著名的高校和研究 所也積極跟進(jìn)，集成智能傳感器技術(shù)取得了令人矚目的發(fā)展傳感器向集成化、智能化發(fā)展大規(guī)模集成電路技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù)的迅猛發(fā)展，為傳感器向集成化、智能化方向發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，集成智能傳感器在應(yīng)用領(lǐng)域成為傳感器發(fā)展的總體趨 勢圖1給出了集成智能傳感器的組成框圖集成智能傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)和大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)， 利用硅作 為基本材料來制作敏感元件、信號調(diào)制電路，以及微處理器單元，并把它們集成 在一塊芯片

54、上構(gòu)成這樣，使智能傳感器達(dá)到了微型化和結(jié)構(gòu)一體化， 從而提高 了精度和穩(wěn)定性目前市場上的集成智能傳感器已經(jīng)成為研究熱點，其發(fā)展方向主要有以下幾 個方面：(1)向微型化發(fā)展；(2)應(yīng)用新的物理現(xiàn)象、化學(xué)反應(yīng)、生物效應(yīng)作為傳感器原理；(3)使用新型材料；(4)向微功耗及無源化發(fā)展；(5)采用新的加工技術(shù)(如化學(xué)微腐技術(shù)、微機(jī)械加工技術(shù))；(6)向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展集成智能傳感器四大熱點1 .物理轉(zhuǎn)化機(jī)理由于集成智能傳感器可以很容易對非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對傳感器應(yīng)用的制約，所以一些科研工作者正在對這些穩(wěn)定性好、 精確度高、靈敏度高的轉(zhuǎn)換

55、機(jī)理或材料進(jìn)行研 究例如，諧振式傳感器具有高穩(wěn)定性、高精度、準(zhǔn)數(shù)字化輸出等許多優(yōu)點，但 傳統(tǒng)的傳感器頻率信號檢測需要較復(fù)雜的設(shè)備， 限制了諧振式傳感器的應(yīng)用和發(fā) 展，現(xiàn)在利用同一硅片上集成的智能檢測電路，可以迅速提取頻率信號，使得諧振式微機(jī)械傳感器成為國際上傳感器領(lǐng)域的一個研究熱點2 .數(shù)據(jù)融合適論數(shù)據(jù)融合是集成智能傳感器理論的重要領(lǐng)域，也是各國研究的熱點，數(shù)據(jù)融 合技術(shù)，簡言之，即對多個傳感器或多源信息進(jìn)行綜合處理，從而得到更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論對于多個傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個傳感 器的特點，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測量信息的精度和可靠性，延長系統(tǒng)的 使用壽命數(shù)據(jù)融合是

56、一種數(shù)據(jù)綜合和處理技術(shù)，是許多傳統(tǒng)學(xué)科和新技術(shù)的集成和應(yīng) 用，如通信、模式識別、決策論、不確定性理論、信號處理、估計理論、最優(yōu)化 技術(shù)、計算機(jī)科學(xué)、人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 近年來，不少學(xué)者又將遺傳算法、 小波分析技術(shù)、虛擬技術(shù)引入數(shù)據(jù)融合技術(shù)中3 .CMOS：藝兼容目前，國外在研究二次集成技術(shù)的同時，集成智能傳感器在工藝上的研究熱 點集中在研制與CMOS：藝兼容的各種傳感器結(jié)構(gòu)及制造工藝流程，探求在制造 工藝和微機(jī)械加工技術(shù)上有所突破目前，利用CMOS：藝兼容的集成濕度傳感器將敏感電容和處理電路集成在 一塊硅片上，通過Coventor模擬得到全量程總的敏感濕敏電容變化值，同時提 高了可靠性并降低了成本，隨著微機(jī)械加工技