130万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 1 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(台湾 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 2 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。 3 (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 4 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。 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。 5 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 6 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。 7 (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 8 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 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； 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) 9 10 (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) 11 (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 12 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 13 14 (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