CMOS图像传感器设计考虑因素及典型应用方案（2） 传感器

我是MT

1．2 Raw Data型
　 　Raw Data型方案是最有争议的一个方案，系统只要求传感器输出原始数据，后端多媒体处理器完成所有ISP和图像编解码等功能，和普通的数码相机的解决方案一 样，而多媒体处理器则类似于数码相机中的核心处理器。 SP80708和SP83308就是基于这种应用方案设计的，其结构框图见图2。

　　

　　图2：Raw Data传感器SP0708和SP3308的结构框图。

　　从结构上看，Raw Data型传感器实际是YUV 传感器去掉ISP和部分传感器控制功能之后的简化产品。
　 　这种方案在最低端手机和最高端手机中都有应用。如联发科的MTK6226和展讯6600D+华邦99685，就属于这一方案在低端手机上的应用。而可以 支持到3.2M Raw Data 传感器，Broadcom的BCM2820甚至可以支持8M像素的Raw Data 传感器，很多高端手机采用了这些方案。
　　对于3.2M以上的高像素拍照手机，Raw Data方案从系统设计的角度讲是合理的。高像素的拍照手机为了取代传统数码相机，对图像质量的要求已经达到专业级的要求。在提高模拟前端图像采集性能的 同时，后端复杂的图像处理技术也是必不可少的。要把这些功能复杂的ISP集成到传感器中，几乎很难实现，比如复杂的彩色插值算法要求保存一帧的Raw Data，需要很大的缓冲，传感器中不可能做到；而性能越来越高的多媒体处理器，无论是处理能力，还是配备的缓冲，都非常适合来完成这个功能。从整个系统 的结构和性价比来看，这种方案也是最有竞争力的。
　　对于低端的VGA拍照手机，传感器的成本压力越来越大。Raw Data型的传感器是降低成本最有效的方案。联发科推出的一系列平台方案就恰好集成了图像处理的功能，MTK6226就是最典型的代表。
　 　Raw Data型方案目前也存在缺点，它需要传感器厂商和多媒体芯片或是平台厂商紧密配合，才能很顺利的完成系统集成。尤其是方案设计阶段，对不同的传感器，甚 至相同的传感器搭配不同的镜头，都需要基于多媒体芯片重新调试图像效果。传感器厂商只有得到这些平台厂商的配合，才能完成design-in。
　 　目前手机市场的情况是YUV型和Raw Data型两种方案并存。思比科也有针对性的开发出了不同的产品，来满足客户多元化的需求。其中SP0818和SP2318满足YUV型手机客户的需求， 而SP80708和SP83308则符合Raw Data型手机客户的要求。
　　2．PC摄像头
　　相对手机而言，PC摄像头（PC-CAM）是一个较为简单的应用。由于英特网的普及以及越来越流行的网络视频应用，PC-CAM的需求量也非常庞大。SP80708在满足手机应用的同时，也因为高性价比的优势而被大量使用在PC-CAM上。
　　PC-CAM的方案非常简单，一颗DSP搭配一颗传感器，就组成了一个PC-CAM方案。图3是一个典型的PC-CAM的结构图。

　　

　　图3：典型的PC-CAM方案。

　 　SP80708采用了思比科最新的像素技术，感光度高达1.2V，足以满足PC-CAM对低照度的严格要求；色彩还原性好，原始数据经过简单处理就可以 达到理想的效果；而像素尺寸缩小到3.2umx3.2um，可以较大幅度降低传感器成本。同时内嵌思比科特有的曝光控制算法，很大程度上提高了动态范围， 在各种光照条件的复杂环境下，都能达到理想的曝光效果。
　　PC-CAM也有很多种类。从传感器的分辨率来分，有30万像素，130万像素 和200万像素的PC-CAM，早期甚至还有10万像素的产品。由于受到USB带宽的限制，PC-CAM很少有200万像素以上的产品。从传感器的类型来 分，有使用Raw Data 传感器的PC-CAM，也有使用YUV 传感器的产品；绝大多数DSP都集成了ISP的功能，但多数的ISP只支持到VGA，所以大多数30万像素的PC-CAM都采用Raw Data的传感器，或是采用YUV 传感器的Raw Data输出，而130万像素和200万像素的产品则多使用YUV 传感器。
　　从 DSP的功能来分，PC-CAM又可以分为USB1.1和USB2.0两种，因为USB1.1的带款很窄，视频在传到 PC之前需要压缩，所以USB1.1的DSP都集成了JPEG压缩的模块；而USB2.0则能够传输未经压缩的VGA视频流，因此USB2.0的PC- CAM视频质量优于USB1.1的产品。有些USB2.0的DSP也集成了JPEG模块，向下兼容USB1.1的应用，以保证产品能应用在非常低端的PC 上。
　　随着市场的多元化发展，PC-CAM产品的种类也越来越多。如有带语音输入功能的、有带自动聚焦和跟踪功能的。而最近出现的“免驱动”的PC-CAM，则有可能成为未来的主流产品。
　　3．监控系统
　 　传统的监控系统几乎都采用CCD。随着CMOS 传感器技术的发展，CMOS的品质已经达到CCD相当的水平。而监控系统应用的普及，也面临着降低成本的压力。低成本的CMOS取代CCD在监控系统上应 用的趋势已经非常明显。图4是采用CMOS 传感器的监控系统的典型结构。

　　

　　图4： IP camera解决方案。

　 　传感器将采集到的高品质图像数据转换成标准YUV格式，传给后边的处理器，处理器完成对视频的压缩，并通过有线或无线网络，将压缩后的视频流发送出去。 因为监控系统的应用环境差别比较大，而且都是处于全天候工作状态，因此对传感器的要求非常高，比如传感器的动态范围，灵敏度，温度特性等，都比普通的传感 器高出很多。思比科目前正在积极开发这类产品，预计在年内推出新一代宽动态范围，高灵敏度的传感器，满足监控领域的应用需求。
　　思比科的产品完全根据客户的需求设计，具有性价比高，应用方便的特点。表1总结了思比科系列产品的技术指标，这些产品适用于各种解决方案，可以满足绝大多数客户的需求。

　　表1： 思比科系列产品指标。

　　

基于USB传输及CMOS图像传感器的指纹识别仪的实现

　　引　言
　　CMOS图像传感器是近年来得到快速发展的一种新型固态图像传感器。它将图像传感部分和控制电路高度集成在同一芯片里，体积明显减小、功耗也大大降低，满足了对高度小型化、低功耗成像系统的要求。与传统的CCD图像传感器相 比，CMOS图像传感器还具有集成度高、控制简单、价格低廉等诸多优点。因此随着CMOS集成电路工艺的不断进步和完善，CMOS图像传感器已经广泛应用 于各种通用图像采集系统中。同时作为一种PC机与外围设备间的高速通信接口，USB具有许多突出的有点： 连接简便，可热插拔，无需定位及运行安装程序，无需连接外设时关机及重启系统，实现真正的即插即用；高传输速率，USB1.1协议支持12Mb/s；不占 用系统硬件资源，能够自动检测和配置外围设备，不存在硬件冲突问题。
　　因此，利用CMOS数字图像传感器与USB接口数据传输来实现的指 纹识别仪具有结构简单，体积小，便携化等优点。现将介绍利用OMniVision公司的CMOS彩色数字图像传感器OV762M和cypress公司的 EZ—USB AN2131QC USB控制传输芯片（内部集成了增强形51内核）来实现指纹信息的采集和USB传输，同时由于指纹传感器输出数据的速率（27MB/s）与USB控制器 （AN2131QC）数据传输速率（12Mb/s）的不匹配，故系统采用了SRAM和CPLD构成中间高速缓冲区。
　　系统结构
　　应用AN2131QC、CPLD和OV762M设计的指纹识别系统硬件框图如图1所示：

　　

　　图1　指纹识别硬件系统简略框架图

　 　首先，AN2131QC通过I2C对指纹识别传感器（OV7620）的窗口设置等参数进行配置，光学透镜把像成在OV762M的像面上后，CMOS图像 传感器（OV7620）对其进行空间采样，并按照一定的帧频连续输出8位的数字图像数据Y［7∶M］（输出数字图像数据的帧同步信号为VSYNC，水平有 效信号为HREF，输出时钟信号为PCLK）。为了实现指纹传感器输出数据与USB控制器（AN2131QC）读取数据速度与时序的匹配，使用了 SRAM（IS61C1024）和CPLD构成高速缓冲区，利用此高速缓冲区将OV762M采集的指纹数据缓存。最后AN2131QC实现与上位机的 USB通信，将高速缓冲区中数据的传输到PC机进行相应图像处理。
　　CMOS数字图像传感器OV7620
　 　CMOS数字图像传感器OV762M集成了一个664×492 的感光阵列、帧（行）控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、A/D转换电路、数字信号输出电路及寄存器I2C编程接口。感光阵列得到原始的彩色 图像信号后，模拟处理电路完成诸如颜色分离与均衡、增益控制、gamMA校正、白电平调整等主要的信号处理工作，最后可根据需要输出多种标准的视频信号。 视频时序产生电路用于产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种内部时钟信号，外部控制器可通过I2C总线接口设置或读取 OV762M的工作状态、工作方式以及数据的输出格式等。
　　AN2131QC通过I2C总线接口设定OV762M的寄存器来控制输出帧率 在0.5帧/s～3M帧/s之间变化，输出窗口在4×2～664×492 之间可调（默认输出640×48M的标准VGA格式），设置黑白平衡等。根据指纹采集的需要，窗口输出设置为： 320×288，经过设定后的OV762M输出时序如图2 所示：

　　

　　图2　0V762M输出时序

　 　VSYNC是垂直场同步信号（也是每帧同步信号，CMOS是按列采集图像的），其下降沿表示一帧图像的开始，HREF 提供了一种有效的控制方式，当输出像素行列分别处于设定窗口之间时HREF 为有效高电平，此时输出有效的视频数据，PCLK是输出数据同步信号，上升沿输出一个有效的像素Y［7∶M］。
　　基于CPLD技术的高速数据缓冲区的实现
　　在由CPLD和SRAM构成的高速数据缓冲区中，CPLD充当了SRAM的控制器，其内部电路实现框图如图3所示：

　　

　　图3　SRAM高速缓冲区控制器的CPLD实现

　 　图3中ram_rd，raM_wr为输出到SRAM的读写信号线，raM_data，ram_addr为SRAM的数据地址总线；latch_f为 SRAM的读写允许信号，当为高电平时允许对SRAM写操作，为低电平时允许对SRAM读操作；两个8路三态门用于隔离总线，当对SRAM写时，输出 cpu_datA为高阻态，当对SRAM读时，将采集数据信号Y ［7∶M］隔离；cpu_rds，vsync为开始读写信号，单个正脉冲将SRAM地址置0；cpu_rD作为SRAM快速读脉冲，pclk为SRAM写 脉冲；irq为写满标志，用于向上提供中断标志；地址发生器用于产生SRAM地址（IS61C1024有17根地址线）。

　　

　　图4　CPLD实现的仿真波形

　 　由图3中逻辑知道，当允许对SRAM写（latch_f=1）且采集的数据有效（href=1）时，pclk脉冲通过地址发生器产生地址（sync单个 正脉冲将SRAM地址复位到0），将采集的数据Y［7∶M］写入SRAM中，当写满（写完一帧的32M像素×288像素）时，irq信号有效，通过中断将 latch_f置低允许将SRAM数据读出（cpu_rds单个正脉冲将SRAM地址复位到0），此后cpu_rD通过地址发生器产生地址将SRAM中数 据读出到USB缓冲区。上述逻辑仿真波形如图4 所示（由于数据线和地址线较多，故只取其中部分信号时序，cpu_datA为X 表示其值根据SRAM数据总线上具体值而定），由图4 可知，CPLD实现了对SRAM的控制，与SRAM一起组成了高速数据缓冲区。
　　USB控制接口芯片AN2131QC特性简介
　 　AN2131QC是基于USB1.1协议设计的，支持高速12Mb/s的传输速率，内嵌有增强型8051微控制器、8kB的RAM和一个智能USB内核 的收发器，它包含一个I2C总线控制器和3个8位多功能I/O口，有8位数据总线和16位地址总线用于外部RAM扩展。其结构如图5所示。

　　

　　图5　AN2131QC结构简图

　 　AN2131QC内部的USB差分收发器连接到USB总线的D+和D-上。串行接口引擎（SIE）对USB总线上串行数据进行编码和译码（即实现USB 协议的打包和解包工作），同时执行错误纠正、位填充及其它USB需要的信号标准，这种机制大大减轻了8051的工作，简化了固件的编程。内核微处理器是一 个增强型8051，其指令周期为4 个时钟周期并具有双DPTR指针，同时指令与标准8051兼容。它使用内部RAM存储固件程序和数据，上电后，主机通过USB总线将固件程序和外设特性描 述符下载到内部RAM（也可以直接从板上E2PROM上读取），然后重连接，按照下载的特性描速符进行重枚举，这种设计可以实现软件USB快速批量传输的实现。
　 　当采集的指纹数据导入了由SRAM和CPLD构成的高速数据缓冲缓冲区后，要通过USB接口将数据发送到上位PC机，AN2131QC必须先将数据读入 到内部USB缓冲区，因此，AN2131QC将数据传到内部USB缓冲的速度将是整个USB数据传输速度快慢的关键。为了使USB数据传输（从外部读入数 据并将之传到PC机）达到最快，需要采用很多措施，下面就设计指纹识别仪固件（AN2131QC程序）中采用的USB批量传输进行探讨。
　　正常情况下，AN2131QC内核结构从外部读入数据到USB的端点缓冲区，要使用的汇编程序为：
　　movx a，@dptr；读外部数据到acc寄存器incdptr；外部地址加1
　　incdps；切换DPTR指针（内核有双DPTR指针，用dps进行切换）
　　movx @dptr，a；将acc内容放入USB缓冲区
　　incdptr；USB缓冲区地址加1
　　incdps；切换DPTR指针
　 　由上述程序可知，数据在寄存器中完成操作后，都必须有一个“incdptr”和“incdps”指令来完成16位地址的增加和缓冲区指针切换。为了消除 这种内部消耗，使用AN2131QC提供的一种特殊的硬件指针即自动指针（只用于内部缓冲区），8051装载USB缓冲区地址到两个AUTOPTRH （高字节地址）和AUTOPTRL（低字节地址）寄存器中，向AUTODATA写入的数据就直接存入由AUTOPTR/H2L指向的地址缓冲区中，并且内 核自动增加AUTOPTR/H2L中16位地址的值。这样USB缓冲区可以像FIFO一样来顺序写入数据，节省了每次写内部USB缓冲区时的 “incdptr”指令。同时内核还提供一种快速模式（只用于对外部数据操作），此模式从外部读数据“movx a，@dptr”时，直接将外部数据总线和内部缓冲区连在一起，由于使用CPLD和SRAM构成的指纹高速缓冲区具有FIFO的性质，所以使用快速模式读 外部指纹数据时也节省了“incdptr”指令。将上述两种方式结合起来，读外部数据到内部缓冲区程序就只需要一条指令：movx @dptr，A（dptR存放AUTODATA寄存器地址），此指令需要两个8051机器周期（8个24MHz时钟周期）。这样，一个字节可以在 333ns内读入到USB端点缓冲区。
　　在USB接口数据传输一侧，当PC机要对一特定端点进行读数据并发送IN令牌，如果一个IN令牌 到达时8051还没有完成向USB端点缓冲区的数据装载（读外部数据），AN2131QC就发送一个NAK握手信号来响应IN令牌，表明PC机应该在稍后 再发送一个IN令牌。为了解决这种等待从而达到最快的传输速度，可以使用双缓冲技术（端点配对），使8051在前一个数据包在USB总线上传输的时候，装 载块数据的下一个数据包。