单片机在CMOS+APS图像采集系统中的应用

单片机

第１２卷第３期２００４年６月

光学精密工程

ＯｐｔｉｃｓａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

Ｖ０１．１２Ｎｏ．３

Ｊｕｎ．２００４

文章编号１００４—９２４Ｘ（２００４）０３一０１９０—０４

单片机在ＣＭｏＳＡＰＳ图像采集系统中的应用

李杰，刘金国，李学夔，郝志航

（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）

摘要：近年来ＣＭＯＳＡＰＳ（ａｃｔｉｖｅｐｉｘｅｌｓｅｎｓｏｒ，有源图像传感器）发展较快，成为图像传感器市场中ＣＣＤ的有力竞争者，

在抗模糊、单电源供电、低功耗方面优势显著，而且由于集成度高，一般芯片内集成有模拟信号处理电路和Ａ／Ｄ转换，信

号直接数字输出，使成像系统外围电路简单，可以实现系统的小型化和低功耗。在带１２Ｃ总线控制接口的ＬＭ９６１７

ＣＭＯＳ图像传感器成像系统的设计中，采用单片机８０５１模拟１２ｃ总线进行相机控制，并控制ｃＰＬＤ器件产生相机时序，完成了图像的采集和数据存储控制。这种图像采集系统可以实现相机的微小化和低成本，应用领域广泛。

关键词：单片机；ＣＭＯＳＡＰＳ；１２Ｃ总线；成像和存储控制中图分类号：ＴＰ３９１．４

文献标识码：Ａ

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１

引言

ＤＲＡＭ同样的技术制造的传感器，几乎与ＣＣＤ同时出现。早期的ＣＭＯＳ图像传感器在分辨率、动态范围、噪声、功耗和成像质量等方面都不如当时的ＣＣＤ图像传感器，因而未获得充分发展。

随着ＣＭＯＳ工艺技术的发展，采用标准ＣＭＯＳ工艺生产的高质量、低成本的ＣＭＯＳ有源图像传感器（ＡＰＳ）已显示出强劲的发展势头。

ＣＭＯＳＡＰＳ的高度集成化减小了系统的复杂性，

作为固体图像传感器的主流产品，近十几年，ＣＣＤ已经发展得非常成熟，具有灵敏度高、噪声小、图像质量好等优点。但由于ＣＣＤ器件的工艺与一般集成电路工艺不兼容，比较复杂，成本也高，并且ＣＣＤ传感元件和信号处理电路不能集成在同一芯片上，造成了由ＣＣＤ器件制成的图像采集系统体积大、功耗大的局限。

ＣＭＯＳ图像传感器是使用与设计、制造

可以根据需要将多种功能集成在一块芯片上，单芯片就可以完成ＣＣＤ摄像机全部电学功能，降低了制造成本，对获得的图像信息读出及处理变得

收稿日期：２００４一０２—２２；修订日期：２００４一０４—１８．

基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所青年创新基金资助项目

万方数据　

单片机

第３期李杰，等：单片机在ＣＭｏＳＡＰＳ图像采集系统中的应用

１９１

简单而快捷，能设计出更灵巧的小型成像系统，它还具有单一工作电压、功耗低（仅为普通ＣＣＤ图像传感器的１／１０）、可与其他的ＣＭＯＳ电路兼容、对局部像素图像的编程随机访问等优点。

本文基于ＬＭ９６１７ＣＭＯＳ图像传感器的图像采集系统，采用单片机８０５１模拟１２Ｃ总线进行相机控制，并控制ＣＰＬＤ器件产生相机时序，完成图像的采集和数据存储控制。２

可改变的增益

水平和垂直子采样（２：１和４：２） 取窗模式

外部快照和事件同步信号触发 自动黑电平补偿

灵活的数字视频读出：

可设定同步和时钟信号的极性可改变前沿以调整水平同步

可编程的２个与串口兼容的１２Ｃ总线 电源复位和下电模式

表１

ＬＭ９６１７的主要技术指标

ＫｅｙｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＬＭ９６１７

４

ＬＭ９６１７的结构和性能

由国家半导体公司（美）生产的ＬＭ９６１７，是高性能、低功耗，１／３英寸ＶＧＡＣＭＯＳＡＰＳ器件，用于获取静止或运动灰度图像并转换成数字数据流。有源像元阵列提供片内１２位Ａ／Ｄ转换器、固定图形噪声消除单元、视频增益。另外，内部集成了灵活的时序和控制单元，使用户可以最大限度地调整积分时间、有效窗口尺寸、增益和帧频，还提供了多种控制、时序和电源模式。以下列出ＬＭ９６１７的基本特性，和主要技术指标。

基本特性： 微透镜装备

视频或快照操作

步进扫描和隔行扫描读出模式

可设定像元时钟，子采样的隔帧和隔行延迟 可编程为部分或全帧扫描

Ｔａｂ．１

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响应度量子效率电荷转移效率填充因子视频输出固定图形噪声

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图１为ＬＭ９６１７内部结构框图，其主要外部接口为数字视频口、编程控制口、控制接口等。

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图１ＬＭ９６１７内部结构图

ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＬＭ９６１７

万方数据　

Ｆｉｇ．１

单片机

光学精密工程

第１２卷

３

单片机在ＬＭ９６１７图像采集系统

中的应用

基于ＣＭＯＳ有源图像传感器的采集系统结

构如图２所示，由光学系统、ＣＭｏＳＡＰＳ传感器、单片机控制和数据处理单元、时序发生器、和图像存储器等组成。其中单片机系统数据处理及控制单元以８０Ｃ５１为核心，完成对图像传感器的采集控制、存储控制，并模拟１２Ｃ总线接口进行相机存储器的读写控制。

光学系统

ＣＭＯＳＡＰＳ传感器

单片机系统

控制和数据处理单元

时序发生器

主机接口图像存储单元

图２图像采集系统构成框图

Ｆｉｇ．２

Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｉｍａｇｅｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

３．１

单片机模拟１２Ｃ接口

ＣＭＯＳ图像传感器上采用１２Ｃ总线控制其各

项功能，简单、快捷，是目前图像传感器采用的最普遍的总线。用户可以通过对１２Ｃ总线编程的内部寄存器来改变缺省参数设置传感器的工作方式，如增益、对比度、亮度、清晰度、系数、曝光、时钟、水平窗口、垂直窗口等。对ＣＭＯＳ图像传感器的控制通过８０５１与ＬＭ９６１７的１２Ｃ接口进行，系统电路原理图如图３所示。

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图３

ＣＭＯＳ成像系统电路原理框图

Ｆｉｇ．３

Ｄｉａｇｒａｍｏｆｃｉｒｃｕｉｔｏｆｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

ＬＭ９６１７编程控制口通过１２Ｃ兼容串行总线实现。而且提供了从地址脚：ＬＭ９６１７串行总线地址当ｓａｄｒ锁定为低时，设为１０１０１０１；当ｓａｄｒ锁定为高时，设为０１１００１１。该值对应ｓａｄｒ在上

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方数据电时设置。ＬＭ９６１７的１２Ｃ串口数据模式如图４。

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图４

ＬＭ９６１７的１２Ｃ串口数据模式

Ｆｉｇ．４

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ｆｏｍａｔｏｆ

ＬＭ９６１７

由于８０５１没有标准的１２Ｃ总线接口，可以用软件程序来模拟１２Ｃ总线。用８０５１的Ｐ１口的Ｐ１．１和Ｐ１．２两根Ｉ／０线产生满足１２Ｃ总线的串行时钟ＳＣＬＫ和串行数据ＳＤＡ，与ＬＭ９６１７的１２Ｃ接口，通过编制模拟１２Ｃ总线数据传送的程序，对ＬＭ９６１７内部的各寄存器进行读写，实现对ＬＭ９６１７的控制。下面列出对ＬＭ９６１７１２Ｃ接口写入一个寄存器操作的子程序。

子程序：ｗｒｉｔｅａｒｅｇｉｓｔｅｒ

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ＣＬＲＰ１．１ＳＥＴＢＰ１．１

ＳＥＴＢＰ１．２ＲＥＴ

３．２

８０５１对时序单元的控制

时序发生器采用Ｌａｔｉｃｅ的ｉｓｐＬＳｌｌ０３２Ｅ可编程逻辑器件构成。利用ＬＭ９６１７数字视频口的行同步信号ＨＳＹＮＣ、场同步信号ＶＨＹＮＣ和像元时钟信号ＰＣＬＫ，通过对ｉｓｐＬＳｌｌ０３２Ｅ编程，产生图像存储器的写入地址和读写、选通等控制信号等，提供图像存储器的写入时序，如图３。

用８０５１Ｐ１．ｏ对时序单元控制，使之开始产生时序数据，控制图像的采集和存储。ｉｓｐＬ—Ｓ１１０３２Ｅ时序计数器计数一帧图像数据存满时，产生存储器满信号ｓＣＥ给８０５１Ｐ１．３口，８０５１查询到ＳＣＥ信号后，发出使能信号Ｒ／Ｗ，控制ｉｓ—ｐＬＳｌｌ０３２Ｅ停止产生写入时序，并发信号停止传感器的数据进入。

３．３单片机对系统图像采集和存储的控制

ＬＭ９６１７的分辨率为６６４×５０４，在一般的精

单片机

第３期李杰，等：单片机在ＣＭＯＳＡＰＳ图像采集系统中的应用

度要求下，传感器的数据输出设定为８位模式，即可满足对图像的精度要求。当选取量化数据位数为８位时，确定图像存储容量为３８４Ｋ字节。利

用ＳＡＭＳＵＮＧ公司的ＫＭ６８４０００ＢＬｐ７静态

ＲＡＭ作为图像的存储器，该存储器为ＣＭＯＳＳＲＡＭ，组织结构为５１２Ｋ×８，速度７０ｎｓ。

传感器的图像数据通过可控接口与存储器ＳＲＡＭ和８０５１的数据线相接。８０５１通过对时序电路的控制，来控制存储器的读写，使传感器与存储器进行直接数据传送（ＤＡＭ），这时８０５１的数据线为高阻态，并由时序电路ｉｓｐＬＳｌｌ０３２Ｅ的时序计数器计数产生图像存储器的１９位地址

Ａｄｒｌ８一Ａｄｒ０。

３．５单片机与主机的接口

单片机成像系统可以作为完整的系统，实现一帧图像的采集和存储，并根据需要对图像数据进行处理，提取图像的信息。同时也可作为图像采集卡，通过与主机的接口，把图像数据或处理结果传送到主机。

４

试验结果

图５为由ｉｓｐＬＳｌｌ０３２Ｅ时序单元完成的一帧图像的采集和存储的部分控制信号的时序。

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Ｄ１１．４

图６中左为采集的一帧图像，大小为６６４×５０４，灰度等级为８，右为图像传感器取窗模式下的子图，尺寸为２６０×４０２灰度等级为８。其中左图中图像四周为８行８列被光遮盖的黑像素。图像数据是通过系统与主机的串口数据传送，存于主机，并在显示器上显示的。

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图６取窗图像试验结果

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结束语

３．４单片机寻址能力的扩展

８０５１有１６根地址线，寻址能力为６４Ｋ。为了实现由单片机对存储的图像数据的处理，需对

５１２

Ｋ的存储器ＫＭ６８４０００ＢＬｐ７进行寻址。为

此，采用８０５１的Ｐ１口的Ｐ１．５一Ｐ１．７三根Ｉ／Ｏ口线作为地址线扩展，构成１９根地址线的高三位，完成５１２Ｋ地址范围的寻址。

基于ＣＭＯＳ有源图像传感器集成度高、体积小、功耗低、外围电路简单、数字输出等特点，采用单片机作为核心完成了图像采集系统图像‘的控制，并模拟１２Ｃ接口实现对ＣＭＯＳ传感器的寄存器读写控制。单片机系统可实现图像的采集存储和信号的处理，并可通过接口与主机相连，传送图像数据或图像的处理信息。单片机应用于ＣＭＯＳＡＰＳ成像系统，可实现系统的小型化和低成本，灵活方便，可应用于多种工程领域。

参考文献：

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Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｂｅｉｈａｎｇ（ＢＵＡＡ）Ｐｒｅｓｓ．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．

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作者简介：李杰（１９６９一），女，吉林省白山人，现工作于长春大学电子信息工程学院，副教授，中国科学院长春光学精密机

械与物理研究所博士研究生，主要研究方向为空间遥感相机与图像处理。Ｅｍａｉｌ：ｌｊｉｅ６９１５＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ

万方数据　

单片机

单片机在CMOS APS图像采集系统中的应用

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

李杰， 刘金国， 李学夔， 郝志航， LI Jie， LIU Jin-guo， LI Xue-kui， HAO Zhi-hang

中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033光学精密工程

OPTICS AND PRECISION ENGINEERING2004，12(z1)0次

参考文献(4条)

1.LM9617 data sheet 2004

2.何立民 MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术 1990

3.朱苏磊.赵慧君 I2C总线在CMOS图像传感器上的应用[期刊论文]-测试技术学报 2003(01)4.宋勇.郝群.王占和 基于CMOS图像传感器的成像系统设计[期刊论文]-光学技术 2002(05)

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本文链接：/Periodical_gxjmgc2004z1043.aspx授权使用：石家庄学院(sjzxy)，授权号：1961c97c-e145-41f0-ab38-9e34011ff4b2

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