一种基于USB2.0的高集成大面阵成像系统设计

摘要:介绍了一种基于大面阵CMOS图像传感器MI1310SOC和新型USB2.0控制器的高集成度成像系统的开发,其具有体积小、功耗低、画质清晰等明显优势,有很好的实用价值。文章中给出了该成像系统的设计方法和设计结果。

关键词:USB2.0;大面阵CMOS图像传感器;成像系统

中图分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)10-2550-02

Design of a kind of High Integration Based on USB2.0 Imaging System

LI Ying1, LIN Jing2

(1.Xi'an University of Post & Telecommunications, Xi'an 710121,China; 2.Graduate School of the Chinese Academy Sciences, Beijing 100039, China)

Abstract: A high integration based imaging system which consists of MI1310SOC, large frame scan CMOS image sensor, and an new USB2.0 camera controller was introduced. It had very small size, low power and high definition. Its practical value is very good. The basic design methods and result were presented.

Key words: USB2.0; large frame scan CMOS image sensor; imaging system

CMOS图像传感器由于具有小型、廉价、低功耗等等的特点在PC摄像头的应用中频频出现,随着大面阵CIS(CMOS Image Sensor)的广泛应用,基于USB2.0的高传输率的摄像头的发展是必然的。USB2.0支持480Mb/s的高速数据传输和热插拔,从而能满足大数据量高速传输应用的标准连接需求。同时,USB总线可提供最大至500mA电流,最大功率可达到2.5W,对于低功耗设备而言,可以由USB总线直接供电,而无需外接电源[1-2]。

1 开发过程

1.1 器件的选择

本文采用VC0321作为USB控制器,它具有很好的体积上的优势,QFN48封装的情况下只有7mm×7mm×0.9mm。

对于CMOS图像传感器,本文采用的是Micron公司的低功耗低成本渐进扫描CMOS图像传感器MI1310SOC,它采用DigitalClarity CMOS图像技术,具有如下的特点[3]:水平分辨率1280,垂直分辨率1024;全分辨率帧频15fs,功耗170mW;片内集成图像处理器能进行色彩、灰度、阴影和缺陷等修正;支持自动曝光、白平衡、暗电平失调修正、色彩饱和控制;输出数据格式包括YCbCr、565RGB、555RGB和444RGB。MI1310SOC体积很小,仅为8.3mm×8.3mm×1.17mm。MI1310SOC的这些优良特点使之非常适合于高集成度、低功耗、小体积、高清晰度的应用需求。

1.2 设计与实现

MI1310SOC的像元共有1316*1048个,前24行8列和最后3行7列是参考行和参考列,用于检测和调整参考低电平。MI1310SOC有一个四个像元宽的边界围绕在1280×1024有效像元区域周围,用以避免进行图像边缘像元进行插补和修正处理时出现边缘效应。有效像元区域还有一列和一行的冗余,在进行图像镜像时,用来保证图像对称读出总能从相同像元开始。

本文利用VC0321芯片给MI1310SOC初始化信号和像素时钟[4],然后获取其片上整合的A/D输出的10bits图像数据流,来实现图像的拍摄过程,其硬件电路原理框图如图1所示[3]。

图1中FS是图像的帧同步信号,HS是图像的行同步信号,D0～D9是图像的像元10位并行数据,PCLK是图像的像素时钟,上升沿像元数据开始,在下降沿数据采样。SCLK和SDA为图像传感器提供串行控制信号接口。系统初始化完成好,图像传感器在VC0321控制下输出图像,像素时钟由PCLK提供,每一帧图像传输开始前FS先置高,表示一帧图像数据开始传输,一帧数据传输结束变低,HS在第一个有效像素输出的时候变高,直到最后一个有效像素输出结束之后变低。FS有效(高)和第一个HS有效(高)之间有连续多个像素时钟的间隔,以保证行数据可以被可靠传输和接收,具体间隔长度可通过外部控制器对图像传感器内部控制寄存器进行设置,图像传感器根据寄存器内容进行信号控制。FS在最后一个HS有效结束后变低。图像数据传输示意图如图2所示。

在USB摄像头控制器VC0321中,包含传感器接口单元、图像信号处理器单元、USB2.0控制器单元、嵌入式增强8051、电源管理单元、串行接口单元。传感器接口单元捕获由传感器来的图像信号,包括YUV或者RGB格式的图像;图像信号处理器单元实现CFA图像的复原,降噪、锐化、颜色校正和伽玛校正等等,也包括了统计计算和白平衡;USB2.0控制器单元处理传输协议和器件的图像相关功能;嵌入式增强8051实现一些控制和计算功能;串行接口单元实现对传感器的控制和一些客户定制的需求。就是这些专有的处理单元能够低成本且有效的实现对CMOS图像传感的控制和驱动,并对图像的数据流进行处理和传输。

USB控制器自举完毕之后,它依据驱动的控制界面设定,由与传感器相连接的串行接口对传感器的寄存器单元进行初始化,然后系统开始工作,此时驱动程序的开发即显得尤为重要。其主程序流程图如图3所示。

USB设备驱动程序基于WDM采用分层模式进行设计[5,6]。应用程序通过调用顶层API函数来进行功能调用产生I/O请求包,I/O请求包被传递给USB功能驱动,USB功能驱动接收到请求后,根据请求包中的操作代码构造相应USB请求块,并传递给底层驱动程序。底层驱动程序根据请求块执行相应的操作,并把操作的结果返回给USB功能驱动程序,由它将操作结果返还给I/0管理器,最后I/O管理器将操作结果传回给应用程序。

2 小结

本文利用一款新型的USB2.0控制器实现了一款大面阵CMOS成像系统,设计非常简化,由于选择的器件有很高的集成度,只需加少量的元件即可工作。另外,芯片采用QFN和iCSP封装,具有无可比拟的体积上的优势,只需极小PCB面积即可实现整套系统。该系统工作在1280*1024 15fps的状况下,其整功耗不超过800mW,能够轻易在USB口上实现即插即用。

该系统工作在1280*1024分辨率下,在具有良好带宽的情况下画质比市场上已有网络摄像头有了很大提高。

参考文献:

[1] 肖踞雄,翁铁成,宋中庆.USB技术及应用设计[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2] 张弘.USB接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2002.

[3] Micron Corp: MT9M111_SOC1310 datasheet Rev. A, Ver. 1.0 3/04.

[4] Vimicro Corp: VC0321 datasheet Ver1.0.

[5] 边海龙,贾少华.USB2.0设备的设计和开发[M].北京:人民邮电出版社,2004.

[6] 武安河.Windows 2000/XP WDM驱动程序开发[M].北京:电子工业出版社,2005.