基于fpga的cmos摄像驱动设计(编辑修改稿)

基于fpga的cmos摄像驱动设计(编辑修改稿)内容摘要：

方式， CMOS图像传感器工作速度优于 CCD。 通常的 CCD传感器由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有 3~8片，信号读出速率不超过 70MPIXELS/S。 CMOS像感器设计者都采用将模数转换（ ADC）作在每个像元中，使 CMOS传感器信号读出速率可达1000PIXELS/S。 窗口： CMOS图像传感器由于信号读出采用 X2Y寻址方式，具有读出任意局部画面的能力，这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频。 这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。 CCD图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。 综上所述： CMOS与 CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将信号处理电器与 CMOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。 但其图像质量（特别是低照度环境下）与系统灵活性与 CCD的相比相对较低。 由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、 低价位、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型 /微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量高商用领域，CCD与 CMOS图像传感器相比，具有较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用。 如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电高性能工业摄像机、大部分科学与医学摄像机等应用。 随着 CCD与 CMOS传感技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。 倒如： CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场； CMOS传感器则在 改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，CCD与 CMOS图像传感器相比，在价格方面目前几乎相等。 这主要是 CCD具有成熟的技术与市场， CMOS器件具有较高的技术市场开发成本。 CMOS与 CCD图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺上制作曲工艺线的设备亦相似，但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别。 可见 CMOS与 CCD图像传感器互为补充，不会出现谁消灭谁的结局，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。 根据 KODAK公司的预测，未来 10年 CCD仍将占据高性能图像传感器市场， CMOS随着技术的进一步发展与成熟，也将在高端市场占据一席之地。 在低端市场， CMOS将挤占大半 CCD图像传感器原占的市场，成为低端市场的主流。 11 CCD/CMOS工作原理 无论是 CCD还是 CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（ photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。 但在周边组成上，CCD的感光元件与 CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了 感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积 —换一种说法就是， CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。 而 CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成 CMOS传感器的开口率远低于 CCD（开口率：有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下， CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于 CCD元件，灵敏度较低；体现在输出结果上，就是 CMOS传感器捕捉到的图像内容不如 CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期 CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。 CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美 CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而 CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。 因此在传感器尺寸相同的前提下， CCD的像素规模总是高于同时期的 CMOS传感器，这也 是 CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。 每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。 在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖 RGB红绿蓝三色滤光片，以 1： 2：1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。 而索尼的四色 CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文 Emerald， 有些媒体称为 E通道），由此组成新的 R、 G、 B、 E四色方案。 不管是哪一种技术方案，都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点大家务必要预先明确。 在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。 在 CCD 传感器中，每一个感光元件都不对此作进一 12 步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。 由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工 作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理 —这项任务是由 CCD 传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；但由于 CCD 本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的 DSP处理芯片。 而对于 CMOS 传感器，上述工作流程就完全不适用了。 CMOS 传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的 数字信号。 换句话说，在 CMOS 传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交 DSP 芯片处理 —问题恰恰是发生在这里， CMOS 感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌 —体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于 CCD传感器。 CMOS集成电路特点 CMOS传感器是当前被普遍采用图像传感器之一，是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据。 在 CMOS传感器中，每个象素都会邻近一个放大器 A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据辒出，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价位、摄像质量无过高要求的应用。 随着技术的发展， CMOS 图像传感器正在向高灵敏度、高分辨率、高动态范围、集成化、数字化、智能化的 “片上相机 ”解决方案方向发展。 芯片加工工艺不断发展 , 从 μm→ μm→ μm→ μm, 接口电压也在不断降低 , 从 5 V→ V→ V/ V→ V/ V。 研究人员致力于提高 CMOS 图像传感器的综合性能 , 缩小单元尺寸 , 调整 CMOS 工艺参数 , 将数字信号处理电路、图像压缩、通讯等电路集成在一起 , 并制作滤色片和微透镜阵列 , 以实现低成本、低功耗、低噪声、高度集成的单芯片成像微系统。 图像传感器选用 CMOS 图像传感器 OV7670。 它体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。 通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据。 该产品 VGA 图像最高达到 30 帧 /秒。 用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。 13 功耗低： CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。 实际上，由于存在漏电流， CMOS电路尚有微量静态功耗。 单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在 1MHz工作频率时）也仅为几 mW。 范围宽： CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。 国产CC4000系列的集成电路，可在 3~18V电压下正常工作。 逻辑摆幅大： CMOS集成 电路的逻辑高电平 “1”、逻辑低电平 “0”分别接近于电源高电位 VDD及电影低电位 VSS。 当 VDD=15V， VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似 15V。 因此， CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。 力强： MOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的 45%，保证值为电源电压的 30%。 随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。 对于VDD=15V的供电电压（当 VSS=0V时），电路将有 7V左右的噪声容限。 输入阻抗高： MOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护 网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达 103~1011Ω，因此 CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。 温度稳定性能好：于 CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且， CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而 CMOS集成电路的温度特性非常好。 一般陶瓷金属封装的电路，工作温度为 55 ~ +125℃ ；塑料封装的电路工作温度范 围为 45 ~ +85℃。 扇出能力强：扇出能力是用电路输出端所能带动的输入端数来表示的。 由于 CMOS集成电路的输入阻抗极高，因此电路的输出能力受输入电容的限制，但是，当 CMOS集成电路用来驱动同类型，如不考虑速度一般可以驱动 50个以上的输入端。 抗辐射能力强： CMOS集成电路中的基本器件是 MOS晶体管，属于多数载流子导电器件。 各种射线、辐射对其导电性能的影响都有限，因而特别适用于制作航天及核实验设备。 可控性好： CMOS集成电路输出波形的上升和下降时间可以控制，其输出的上升和下降时间的典型值为电路传输延迟 时间的 125%~140%。 14 接口方便：因为 CMOS集成电路的输入阻抗高和输出摆幅大，所以易于被其他电路所驱动，也容易驱动其他类型的电路或器件。 通过 SCCB 总线设置 OV7670 的帧频 系统上电后需要对 CMOS 图像传感器进行初始化 , 以确定采集图像的开窗位置、开窗大小和黑白工作模式等。 这些参数是受 OV7670 内部相应寄存。