130万像素CMOS数码相机的设计

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130万像素CMOS数码相机的设计

130万像素CMOS数码相机的设计
摘要：本文介绍了一种130万像素CMOS数码相机的设计原理、基本组成及规格特点，并已有具体实践的结果和产品应用。
关键词：数码照相机, DSC, 光电传感器, CCD/CMOS Sensor, 数字图像处理, DSP
一、概述
数码照相机简称数码相机，英文名“Digital Still Camera”，是一种利用光电传感器(CCD/CMOS SENSOR)把图像(Image)转换成电子数据(Electronic Data)的照相机。数码相机，是现代通信、计算机产业、照相机产业高速发展的产物。随着电信、计算机的普及和家庭化，数码相机作为计算机的图像输入设备，不仅能采集静止图像，而且能采集视频图像和音频信号，便于计算机存储和处理，容易实现网络传输，其应用领域日益广泛。
数码相机是以电子存储设备作为摄像记录载体，通过光学镜头在光圈和快门的控制下，实现在电子存储设备上的曝光，完成被摄影像的记录。数码相机是由LENS(镜头)、CCD/CMOS(光电传感器)、A/DC(模/数转换器)、DSP(数字信号处理器)、BUILT-IN MEMORY(内置存储器)、LCD(液晶显示器)、SD CARD(可移动存储器)和USB INTERFACE(计算机接口)等部分组成的。
图1. CMOS的数码相机的结构框图
数码相机中只有镜头的作用与光学相机相同，它将光线会聚到感光器件CCD/CMOS上。CCD/CMOS是半导体器件，它代替了光学相机中胶卷的位置，它的功能是把光信号转变为电信号。这样，我们就得到了对应于拍摄
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景物的电子图像，但是它还不能马上被送去计算机处理，还需要按照计算机的要求进行从模拟信号到数字信号的转换，ADC器件用来执行这项工作。接下来DSP对数字信号进行处理压缩并转化为特定的图像格式，例如JPEG格式。最后，图像文件被存储在内置存储器或可移动存储器中。然后通过LCD(液晶显示器)查看拍摄到的照片。大部分数码相机提供了连接到计算机和电视机的USB/TV接口。
130万像素CMOS数码相机由感光元件(CCD/CMOS)、模数转换(ADC)、信号处理(DSP)、JPEG 编码压缩器、存储器、LCD显示屏、连接端口、电源等重要元件以及附带的驱动软件所组成。具体可分为CCD/CMOS控制，AE/AF/AWB(测光/对焦/自动白平衡)，数字信号处理，JPEG压缩，存储卡控制和LCD屏幕显示等6个关键电路。如上图1 所示，是130万像素CMOS数码相机的结构框图。
二、130万像素数码相机的设计
我们设计的130万像素CMOS数码相机系统结构包括硬件和软件两大部分。硬件结构包括外壳、镜头、CMOS图像传感器、A/D模数转换器、影像存储器、显示器和电源电路等部件。软件在DSP中实现图像压缩功能，把拍摄下来的影像以高质量、高速度、高容量存储在数码相机存储器和移动式PCMCIA卡中。主芯片是一块DSP(***Sunplus的SPCA533A)和一个CMOS Sensor(美国OmniVision的OV9620)。130万像素CMOS数码相机的电路框图如图2所示。
Flash On-board Compact
Light Flash Flash Memory
Control Memory Card
CMOS DSP USB BUS PC
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Sensor SPCA533A
OV9620
LENS
SDRAM LCD ROM
POWER K4S641632 Module AT49LV040
TV
图2. 130万像素CMOS数码相机的电路框图
130万像素CMOS数码相机的电路图可以分为三个部分， OV9620传感器部分，SPCA533构成的主要处理单元，以及闪光灯部分。

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(一)CMOS图像传感器OV9620
OV9620是OmniVision公司推出的高性能的130万像素CMOS彩色图像传感器。它集成了1280×1024 (SXGA) 图像阵列和一个10位模/数转换器，用于处理静止图像和视频信号。全分辨率130万像素(SXGA)拍摄时，可达15 FPS的速率。分辨率30万像素(VGA)拍摄时，则可达30 FPS的速率。它采用高级算法消除固定图样噪声FPN(Fixed Pattern Noise)，清除拖尾效应并急剧减小了光晕模糊现象(blooming)。所有的摄像功能，比如曝光，灰度校正(gamma)，增益，白平衡，色彩矩阵，窗口等，都可以通过I2C接口进行编程控制。OV9620可以应用于数码相机、视频会议、可视电话、可视邮件、静止画面、PC多媒体等。
OV9620传感器电路图分析与绘制：
图3是CMOS传感器部分的电路图。我们的设计思路是：将CMOS传感器部分作为单独的一块电路板进行设计，DSP和SDRAM等电路组成主模块作另外设计。这样，今后可以不用改变主电路的设计而将传感器变换成210万/300/400万像素的CMOS传感器，将产品升级换代。既节省了研究成本，又节约了研发时间，符合生产和市场的要求。
我们在做PCB板的时候，把这部分单独做成一个小的板子，然后在板子上放置两个排针JP1、JP2，这样可以方便进行调试。而且因为SPCA533可以支持到400万像素，今后需要时，我们的主要电路可以不必改变，该数码相机就能够支持到400万像素。为以后的工作提过了方便，同时节约了数码相机初期设计、调试的成本。

图3. OV9620传感器
(二)图像处理芯片SPCA533A
凌阳科技的SPCA533A是用于DSC(Digital Still Camera：数码相机)的高集成度芯片。它包括图像处理机制、图像压缩机制、存储接口控制器、TV编码器、LCD接口控制器和一个USB接口。SPCA533A支持多种传感器，包括绝大部分常用的CMOS传感器和CCD传感器。灵活的内部缓存器控制使SPCA533能够支持高达400万像素的分辨率，SPCA533A能够同时支持TFT LCD屏和STN LCD屏。由于SPCA533A对CMOS数码相机的主要外设的全面支持，使得客户能够以最小的花费来实现一个DSC系统。
SPCA533电路图的分析与绘制：
该部分是数码相机的主体部分，包括了图像处理芯片SPCA533为主的电路，同时该部分电路还包括了数码相机的Power、NAND_GATE Flash & CF、SDRAM&ROM、LCD/VIDEO-OUT、UI(用户接口)等几个部分。
1.系统时钟
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如图4所示,给出了图像处理芯片SPCA533的电路图。SPCA533有三个外部时钟(晶振)。第一个是32.768KHz，用于内部的RTC模式，当RTC模式不用时，这个晶振能够被共用，第二个晶振(TV Crystal)是27MHz，当SPCA533内置的视频编解码器使用的时候，这个晶振是必需的。第三个晶振(USB Crystal)用来提供SPCA533的主要工作的频率。主要工作品率由主要的锁相环(MPLL)产生，MPLL的输入时钟频率可以是6MHz、12MHz、24MHz，这些取决于IO-TRAP的值。
表1. 系统的时钟选择
Pin(134)
IO-trap(4:3)
USB crystal
TV crystal
0
0
6MHz
NC
0
1
12MHz
NC
0
2
24MHz
NC
0
3
48MHz
NC
1
NC
27MHz
控制CMOS传感器和内部时钟发生器(CCD传感器系统)的时钟对控制帧频和曝光时间是非常重要的。SPCA533通过MPLL来提供这个时钟，另外，SPCA533也可以通过一个专门的锁相环来产生这个时钟(TGPLL)。时钟频率的选择是由传感器的像素时钟决定的。TV/LCD的接口控制器的时钟可以通过相关的设置进行编程。
SPCA533有一个内建的全局时钟，计数间隔为1s，这个计时器是个通用计时器，我们可以用它作为时间测量或用作WATCH-DOG。
SPCA533内置的RTC (Real Time Clock)是由一个48比特的计数器组成的，RTC的输入时钟频率是32.768kHz，firmware把计数器的值转换成年、月、日期和时间，这些由SUNPLUS来提供这些转换。RTC模块的电源与其他部分是不同的，当SPCA533关闭的时候，程序必须给RTC供电以保持RTC的工作， 这样能够保证最小的电流消耗。
2、数码相机的工作模式
模式发生器允许SPCA533输出一个预先定义的模式，当应用程序需要一个PWM脉冲控制的时候，我们就可以用上这个功能。SPCA533支持四种模式寄存器 (register 0X2098 ～ 0X209B)，每个寄存器定一个8比特的基本模式。
一个模式是由很多个基本模式组成的，寄存器0X2094～0x2095定义了基本模式重复的次数，寄存器0X2096～0X2097定义了每个基本模式持续的时间，寄存器0X2096～0X2097定义了一个8比特的停顿时间，这个停顿时间放在寄存器0X2090～0X2092，是可编程的。停顿时间最小为20ns，最大为336ms。在停顿期间，模式发生器可以编程输出0或1。
最后，寄存器0X2093定义了一个大的模式重复的次数。当寄存器0X209E设置好之后，发生器开始发送时序，寄存器0X209f[0]汇报是否所有的预定义的波形已经被发送。
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图4. 图像处理芯片SPCA533的电路图
3、用户接口
SPCA533通过3-Pin串口和UI模块(Sunplus SPL10A)进行通信，Sunplus SPL10A是Sunplus的用户接口模块，它能够管理LCD，并具有键盘扫描功能，SPCA533能够发送数据到UI模块。例如，图片的数量能够被传送到UI
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模块并显示在LCD上，SPCA533也能够从用户接口模块读取键盘的状态信息，SPCA533和SPL10A的连接关系如下图5所示：
图5. SPCA533和UI模块的通信
在Camera整个系统中，SPL10A作为一个SLAVE，不会向SPCA533发送数据，而是由SPCA533周期性的读取键盘的状态信息，整个过程用硬件实现。但是我们可以对时间间隔进行编程，下图是LCD的电路图部分。
图6. LCD电路图
4.存储介质
除了SDRAM，SPCA533支持五种存储介质，有两种方式对Flash Memory进行读写操作，一种是PIO模式，另一种是DMA模式，存储介质的接口如下：
(1) Nand-gate Flash Memory接口，这个接口也能应用于Smart Media。
(2) Compact Flash cards接口。他支持PC Card Memory模式和IDE模式。IDE模式也能应用在IDE CDRW，例如SPCA533能够对IDE CDRW进行读写数据的操作。
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(3) SPI接口。这种接口也可应用于Multi Media Card。
(4) Next Flash serial Flash Memory串行借口。
(5) SD MEMORY CARDS接口。
SPCA533总共用了30个Pin脚作为存储介质的接口，管脚的定义根据不同的存储介质而又不同的定义。我们使用的是三星的NAND-GATE FLASH，具体电路图如图所示：
图7. Nand-gate & CF电路图
(三)印刷电路板的设计
设计PCB图时有两个基本因素决定电路板的质量和美观。一是尺寸要标准，如果尺寸不标准，则会造成安装上的困难；二是合理布局和排列整齐美观。
考虑到电路调试，我们的印刷电路板设计分为插件器件设计和表贴器件设计两个阶段。PCB设计中尤其着重地线设计、元件布局和热设计。
接地是控制干扰的重要方法。地线结构大致有系统地、机壳地(屏蔽地)、数字地(逻辑地)和模拟地等。我们在设计中考虑到数码相机的工作频率不高，它的电路布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，PCB设计中采用了单点接地的方式。并尽量加粗地线，以减小接地电位随电流的波动，提高抗干扰性能。在器件布置方面，把相互有关的器件尽量放得靠近些，以获得较好的抗噪声效果。同一块印刷板上的器件尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，在水平方向，大功率器件尽量靠近印刷板边沿布
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置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近印刷板上方布置，以便减少这些器件工作时对其它器件温度的影响。
插件器件PCB图制作并调试成功后，进入表贴器件的PCB图设计。设计中除注意插件器件PCB图设计中的问题外，针对表贴元器件的特殊性，还应注意以下环节：
1. PCB板上元件需均匀排放，避免轻重不均；
2. 元器件在PCB板上的排向，原则上就随元器件类型的改变而变化，即同类元器件尽可能按相同的方向排
列，便于元器件的贴装、焊接和检测；
3. 焊盘与较大面积的导电区如地、电源等平面相连时，应通过一长度较短细的导电线路进行热隔离；
4. 印制导线应避免呈一定角度与焊盘相连，只要可能，印制导线应从焊盘的长边的中心处与之相连。
基于以上所述设计原则，经过调试，结果证明插件器件PCB板和表贴器件PCB板的设计都取得了成功。
(四)数码相机的调试
1. 数码相机的初始化(DSC’S Initialize)
SPCA533A的开机复位可以通过一个简单的RC延时电路来实现，SPCA533A的复位端连接在一个内部的施密特缓冲触发器上，这个触发器能够提供“复位端”1V的滞后，考虑到锁相环的稳定性，SPCA533A内部的复位电路将外部的复位延时了大约10ms，在延时期间，锁定IO-trap的值，连接“MA” 端的上拉电路在复位的延时终止之前必须准备好。如图8所示：
图8. 初始化示意图
在SPCA533A的任何操作有效之前必须进行完整的初始化，下列的初始化在SPCA533A上电之后完成：
● RTC初始化
(1) 使能RTC(RTC 寄存器 0X00 = 8’h05)
(2) 检查RTC的稳定性(RTC寄存器0X02)
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(3) 载入RTC定时器(RTC寄存器0X10 ~ 0X15, 0Xb0 bit 0)
(4) 如果需要的话，载入RTC报警(RTC寄存器0X20 ~ 0X25)
(5) 清除RTC中断(RTC寄存器0XC0)
(6) 如果需要的话，使能RTC中断(RTC寄存器0XD0)
● GPIO初始化
(1) 如果需要，选择GPIO的另一功能(寄存器0X2019 ～0X201c)
(2) 选择GPIO的方向(输入还是输出)(寄存器0X2038 ～ 0X203d)
(3) 清除中断(寄存器0X2048 ～ 0X204d, 0X2058 ～ 0X205d)
(4) 如果需要的话开中断(寄存器0X2051 ～0X2055, 0X2058 ～ 0X205d)
● SDRAM的初始化
(1) 打开SDRAM中总线的输出使能位(寄存器0X2006)
(2) 选择SDRAM的类型(16M, 64M, 128M or 256M)(寄存器r 0X2707)
(3) 调整SDRAM的时钟相位(寄存器0X2709)。
(4) 初始化SDRAM (寄存器0X27A0[2])。SPCA533通过48MHz的时钟存取SDRAM，CAS的隐匿期是2。
(5) 设置刷新率(寄存器0X270a)
● 传感器接口初始化(CMOS传感器和CCD传感器)
● 存储介质接口的初始化
(1) 存储介质的类型(0x2400[2:0])(存储介质的类型可以在数码相机工作期间动态的编程。)
(2) FMgpio的设置(0x2405 ~ 0x2408, 0x2410 ~0x241F)
● CPU的初始化
(1) 使能0x0000 – 0x0fff 4K SRAM (寄存器 0x2C00[0])
(2) 使能0x1000 – 0x1fff 4K SRAM 寄存器 0x2C00[1])
(3) enable banking of the ROM space Rom page En (寄存器 0x2C00[3])
(4) enable RAM space to ROM space mapping via Ram page En (寄存器0x2C00[2])
(5) Port 1 output enable mode selection via P1oesel[7:0] (寄存器 0x2C02), SFR 8’h90 and 0x201A[4].
(6) Port 3 output enable mode selection via P3oesel[5:0] (寄存器 0x2C03) and SFR 8’hB0
● TV/LCD接口的初始化:
(1) 设置显示的模式(寄存器 0X2D00)
(2) 设置每帧的垂直扫描线数目(寄存器 0X2D02~0X2D03)
(3) 设置每行的像素数(寄存器 0X2D04~0X2D05)
(4) 设置垂直同步的宽度(寄存器 0X2D06)

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(5) 设置水平同步的宽度(寄存器 0X2D07)
(6) 设置显示区域(寄存器 0X2D08~0X2D08)
(7) 打开TV/LCD 的编码器功能(寄存器 0X2001)
● 其他的初始化任务
(1) 基于字符的OSD(On Screen Display)必须下载到SDRAM中。
(2) 基于图解的OSD(On Screen Display)必须下载到SDRAM中并解压缩。
(3) 存储介质的FAT必须下载到SDRAM中，在SDRAM中操作FAT比直接访问存储介质的速度要快得多。
(4) EXIF的文件头必须下载到SDRAM中以便以后使用。
2. 软件的设计(Software's Design)
JPEG内的函数按照作用类型一般可以分为以下几类：
(1) 相机初始化函数：主要包括_Close Camera()和_Open Camera()。
(2) 相机控制函数：主要包括_Get Status()、_Get Config()、_Set Config()、_Control Camera Time()、_Control Camera ID()、_Control Take Picture()、_Reset Camera()。
(3) 图片管理函数：_Take Picture()、_Reset Camera()。
(4) 图片信息获取函数：_Get Camera Pict Info()、_Get All Picture Name()、_Get Native Picture()。
(5) 文件传递函数：_Get File Form Camera()、_Set File To Camera()。
(6) 其他类型的函数：包括电池电量数据获取函数、最后一次操作返回码获取函数等。
3. 数码相机的调试
首先调试电路的电源部分，使之正常供电。当各部分电路都有了电压之后，检测系统的晶振是否正常起振，然后测量SPCA533A的管脚输出是否正常，信号流程是否正常，TFT LCD液晶屏的显示和功能按键的设置是否正确,存贮功能是否正常。然后应用相关软件进行调试,使达到各项技术指标。
数码相机的系统工作过程按操作顺序可以分为以下几个主要环节：
(1) 开机准备
打开相机的电源开关时，主控程序芯片就开始检查相机的各个部件是否处于工可工作状态。如果有一个部分出现故障，那LCD屏上就会给出一个错误信息，并使相机停止工作，如果一切正常，相机则处于准备好状态。
(2) 聚焦及测光
数码相机一般都有自动聚焦和测光功能。当你对准一个物体并把快门按下一半时，一个4位MCPU就开始工作，它确定对焦距离、快门的速度及光圈的大小。
(3) 拍照
按下快门，光学镜头将要拍摄的画面聚焦到摄像器件(光电转换器件)CCD或CMOS上，光电转换器件捕捉景物光信号，并以红、绿、蓝三像素存储。

(4) 图像处理
就是把这些像素从CCD以串行的方式送到相机内部的缓冲存储区。这中间要经过数码相机很多部件的处理，如A/D转换、白平衡及色彩的校正，将其转化成电脑能识别的离散数字信号。
(5) 图像合成
一束一束的光到达缓冲存储区后，再合成形成一幅完整的数字图像。
(6) 图像压缩
图像的处理过程并没有结束。当它离开缓冲区时图像还要被压缩，压缩的程度根据拍摄前所选定的拍摄模式而定。对于标准模式，一般压缩幅度较大，而对于高质量模式，压缩幅度较小。
(7) 图像保存
主控程序芯片(MCPU)发出一个信息，把压缩的图像再转移到存储卡中，长期保存。
(8) 图片影像编辑与输出
三. 130万像素CMOS数码相机已产品化的实物成果
该设计的表贴器件PCB图如图9(a)和(b)所示，已投入生产的系统实图如图10(a)和(b)所示。
图9(a). 表贴器件PCB图正面 图9(b). 表贴器件PCB图反面
图10(a). 设计130万像素CMOS数码相机实物正面 图10(b). 设计130万像素CMOS数码相机实物反面
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我们已将130万像素CMOS数码相机的设计应用到我前些时候设计完成的产品——汽车电子后视镜中，效果很好。
130万像素CMOS数码相机的主要技术规格：
(1) CMOS固体摄像器：使用像素1280 × 1024(130万像素)，1/2英寸，感光面积5.32 mm ×6.66 mm ，红绿蓝滤色镜，24位全色彩。
(2) 光学镜头
光学结构：5片5组
焦距：f= 9.8 mm
等效焦距：46 mm (换算成35 mm照相机的镜头焦距)
光圈：F 3
(3) 快门速度：电子自动快门 1/4秒 ～ 1/10000秒
(4) 白平衡：自动白平衡
(5) 曝光模式：程序式自动曝光
(6) 等效胶片感光度：ISO 100
(7) 电子自拍：10秒
(8) 对焦范围：手动三段位置 远距：2 m ～ ∞
中距：0.2 m ～ 2 m
近距：0.2 m
(9) 取景器：旁轴式光学取景器，当对焦范围在近距、中距时，采用PC机取景。
(10) 黑白液晶显示屏：机身顶部黑白液晶显示屏显示使用模式：电池用量、图像分辨率模式、内存储器的容量模式、照片张数、自拍模式、连拍模式、删除模式、自动闪光、强制闪光、禁止闪光、防红眼闪光模式、USB连接符号。
(11) 存储媒体：Smart Media Card
(12) 存储容量：Smart Media Card 8MB 卡( 32 幅)、16MB 卡( 64 幅)、32MB 卡( 128 幅)、64MB 卡( 256 幅)、128MB 卡( 512 幅)。
(13) 图像压缩格式：24位 JPEG格式。
(14) 图像处理时间：每幅 3 秒
(15) 闪光
闪光范围：1.2 m ～ 2.5 m，有自动闪光、强制闪光、禁止闪光、防红眼闪光四种模式。
闪光指数：GB/GN：5(m)
回复时间：9 s
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(16) 计算机接口界面：USB接口
(17) 电源：2节5号电池(2×1.5V碱性、镍镉电池)
(18) 软件：SDC﹣130专用驱动程序、图像编辑软件 “海鸥小王子”
(19) 外形尺寸：80mm × 32mm × 84mm
(20) 重量：130克
四. 结语
我们这次设计、制造的130万像素CMOS数码相机，经过测试，各项技术指标和所有操作功能，全部达到了国家的“数码照相机标准”。并且，我们已将它应用于“汽车电子后视镜”的产品中，取得了较好的效果。
五、参考文献：
1. 《基于DSP的现代电子系统设计》 戴逸民等编著 电子工业出版社 2002-05
2.《数据压缩原理与应用(第二版)》 (美)萨洛蒙著 吴乐南等译
3.《数字与微处理器基础——理论与应用(第四版)》 (美)克莱特著 张太镒等译
4. 《DSP数码相机“玩”全体验》 邱国峻编著 电子工业出版社 2003-07
5. 《数码相机原理、性能和使用》 辽宁科学技术出版社 2000-07
6. 《现代办公设备的使用与维护(第2版)》 刘士杰主编 2003-08
7. 《计算机网络与办公自动化》 张宗耀主编 西安电子科技大学出版社 2000-05
作者：孙乐义
上海海鸥数码影像股份有限公司技术中心

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