黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用

黑白CMOS图像传感器OV9120的原理及应用

摘要：本文阐述了CMOS图像传感器的一般特征，详细介绍了黑白CMOS图像传感器芯片OV9120的性能、特点及工作原理，给出了OV9120在图像采集处理中的具体应用实例。

１　概述

随着ＣＭＯＳ技术的发展及市场需求的增加，ＣＭＯＳ图像传感器得以迅速发展。ＣＭＯＳ图像传感器具有高度集成化、成本低、功耗低、单一工作电压、局部像素可编程、随机读取等优点，适用于超微型数码相机、便携式可视电话、ＰＣ机电脑眼、可视门铃、扫描仪、摄像机、安防监控、汽车防盗、机器视觉、车载电话、指纹识别、手机等图像领域。本文介绍的是由美国ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ技术公司生产的ＯＶ９１２０黑白ＣＭＯＳ图像传感器，它采用独特的传感器专利工艺技术和先进的算法（ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ）解决了先前ＣＭＯＳ感光器件固定图像噪声（ＦＰＮ）的限制。因而可广泛应用于数字静止摄像、视频会议、视频电话、计算机视觉、生物测量等领域。

２ 引脚功能

ＯＶ９１２０采用４８脚ＬＣＣ封装，其引脚排列如图１所示。

３ 结构性能及工作原理

３．１ 内部结构

ＯＶ９１２０内置１３１２×１０３６分辨率的镜像阵列、１０位Ａ／Ｄ转换器、可调视频窗、ＳＣＣＥ接口、可编程帧速率控制、可编程／自动曝光增益控制、内外帧同步、亮度均衡计数器、数字视频端口、定时产生器、黑电平校准及白平衡控制等电路。其内部结构如图２所示。

３．２ 性能特点

ＯＶ９１２０是１３５万像素（１３１２×１０３６）、１／２英寸的ＣＭＯＳ图像传感芯片，它采用ＳＸＧＡ／ＶＧＡ格式，最大帧速率可达到３０帧／ｓ（ＶＧＡ），该芯片将ＣＭＯＳ光感应核与外围辅助电路集成在一起，同时具有可编程控制功能。ＯＶ９１２０芯片的基本参数如下?

●图像尺寸:６．６６ｍｍ×５．３２ｍｍ，像素尺寸，５．２μｍ×５．２μｍ；

●信噪比＞５４ｄＢ；

●增益调整范围:０～２４ｄＢ；

●ＳＸＧＡ输出时，阵列大小为１２８０×１０２４，ＶＧＡ输出时，阵列大小为６４０×４８０；

●供电电源电压为直流３．３Ｖ和２．５Ｖ；

●暗电流: ２８ｍＶ／ｓ；

●动态范围:６０ｄＢ。

３．３ 工作原理

ＣＭＯＳ镜像阵列的设计主要建立在逐行传送的扫描场读出系统和带同步像素读出电路的电子快门之上。而电子曝光控制算法（或系统规则）则建立在整个图（物）像亮度基础之上。在景像（或布景）正常时，一般曝光都比较理想。但在景像光线不适当时，则应通过自动曝光控制（ＡＥＣ）白／黑比调节来使其满足应用要求。对于ＶＧＡ格式的输出，ＯＶ９１２０图像传感器的视窗尺寸范围从２×２到６４０×４８０，而对于ＳＸＧＡ格式的输出，视窗范围则从２×４到１２８０×１０２４，同时可以在内部１３１２×１０３６边界内的任何地方定位。变动窗口尺寸或位置不会使帧速（或数据速率）发生变化。帧速可通过主时钟下行（ｄｏｗｎ）、插入垂直同步定时、或采用跳读技术的ＱＶＧＡ格式使其发生变动。

ＯＶ９１２０内部嵌入了一个１０位Ａ／Ｄ转换器，因而可以同步输出１０位的数字视频流Ｄ[９．．０]。在输出数字视频流的同时，还可提供像素同步时钟ＰＣＬＫ、水平参考信号ＨＲＥＦ以及垂直同步信号ＶＳＹＮＣ，以方便外部电路读取图像。

ＺＶ端口就是相机（镜头）的焦距调节视频端口。ＯＶ９１２０的ＺＶ功能能使相机透镜变焦而急速移向（或移离）目标。ＯＶ９１２０可利用外部主导机构（ｍａｓｔｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）设定曝光时间。当ＦＲＥＸ被置位于１时，像素阵列被迅速充电，传感器保持为高以拍摄图像（或物像）。在ＦＲＥＸ转换到０时，视频数据流（ｄａｔａ ｓｔｒｅａｍ）用逐行读出方式交付到输出端口。当数据从ＯＶ９１２０视频输出端输出时，应特别注意防止图像阵列曝光影响拍摄图像数据的完整性。与画面曝光速率同步化的自动快门能够将这种影响降到最小程度。

当ＯＶ９１２０的ＲＥＳＥＴ脚拉高至ＶＣＣ时，全部硬件将复位。同时ＯＶ９１２０将清除全部寄存器，并复位到它们的默认值。实际上，也可以通过ＳＣＣＢ接口触发来实现复位。

由于ＳＣＣＥ端口能够访问内部所有寄存器，所以，ＯＶ９１２０的内部配置可以通过ＳＣＣＥ串行控制端口来进行。ＳＣＣＢ的接口有ＳＣＣＥ 、ＳＩＯ＿Ｃ 、ＳＩＯ＿Ｄ三条引线，其中ＳＣＣＥ是串行总线使能信号，ＳＩＯ＿Ｃ是串行总线时钟信号，ＳＩＯ＿Ｄ是串行总线数据信号。ＳＣＣＢ对总线功能的控制完全是依靠ＳＣＣＥ、ＳＩＯ＿Ｃ、ＳＩＯ＿Ｄ三条总线上电平的状态以及三者之间的相互配合来实现的。控制总线规定的条件如下：当ＳＣＣＥ由高电平变为低电平时，数据传输开始。当ＳＣＣＥ由低电平转化为高电平时，数据传输结束。为了避免传送无用的信息位，可分别在传输开始之前和传输结束之后将ＳＩＯ＿Ｄ设置为高电平。在数据传输期间，ＳＣＣＥ始终保持低电平，此时，ＳＩＯ＿Ｄ上的数据传输由ＳＩＯ＿Ｃ来控制。当ＳＩＯ＿Ｃ为低电平时，ＳＩＯ＿Ｄ上的数据有效，ＳＩＯ＿Ｄ为稳定数据状态。而当ＳＩＯ＿Ｃ上每出现一正脉冲时，系统都将传送一位数据。

ＯＶ９１２０有两种工作方式：主模式和从模式。主模式下，ＯＶ９１２０作为主导设备，此时ＸＣＬＫ上的外部晶振输入经过内部分频后可得到ＰＣＬＫ信号。当ＯＶ９１２０采集到图像后，在ＰＣＬＫ的下降沿到来时，系统便可依次将像素值输出，此时外部只是被动的接收信号。而在从模式下，ＯＶ９１２０则可作为从属设备，此时ＸＣＬＫ不能与外部晶振相接，但可以受外部器件，也就是主设备信号的控制。即由主导设备发送一个ＭＣＬＫ时钟信号，并在此信号的同步下依次发送像素值。

４ ＯＶ９１２０在图像采集系统中的应用

整个图像采集系统主

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