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I2C總線(xiàn)CMOS型PB-0300數(shù)字圖像傳感器
摘要：介紹CMOS型數(shù)字圖像傳感器PB-0300的性能特點(diǎn)、功能設(shè)置、與MCS-51系列單片機(jī)的接口電路及編程技術(shù)。關(guān)鍵詞：I2C總線(xiàn) 數(shù)字圖像 傳感器
1 功能描述
1.1 性能特點(diǎn)
PB-0300系列CMOS型有源像素?cái)?shù)字圖像傳感器，內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換8、位并行數(shù)據(jù)輸出、64個(gè)內(nèi)部寄存器，采用I2C總線(xiàn)控制，可編程控制；可以在彩色和黑白兩種模式下工作。當(dāng)外接24MHz時(shí)鐘晶振時(shí)，可以獲得30幀/s的圖像輸出。在上電期間，自動(dòng)調(diào)入缺省參數(shù)設(shè)置，包括自動(dòng)曝光功能，所以可以不編程情況下使用傳感器。主要性能指標(biāo)如表1。
表1 主要性能指標(biāo)
VGA參考：640×480（307 200像素） 像素大小和類(lèi)型 有源光電二極管，空間分辨力：7.9μm×7.9μm 幀速率/（幀/s） 0～39 最大數(shù)據(jù)傳輸速度/（MB/s） 24（在24MHz時(shí)鐘下） 功率/mW 300（最大數(shù)據(jù)速度下） 數(shù)字信噪比（1lux條件下） 大于20dB(10:1)（對(duì)綠色像素，30Hz的以照明度） 數(shù)字敏感度 紅色：950bit/lux-second,綠色：650bit/lux-second，
藍(lán)色：750bit/lux-second，（增益為10，ADC參考為+5.0V） 工作電壓/V +5.0 工作電流/mA0 60 工作溫度/℃ -5～70 輸出 8位彩色（單色）數(shù)字輸出 快門(mén) 電子旋轉(zhuǎn)抓拍 可編程控制項(xiàng) 窗口尺寸和位置、信號(hào)增益、曝光參數(shù)、自動(dòng)曝光參數(shù)、ADC參考、幀速率、DAC偏置
1.2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
PB-0300由五大部分組成：數(shù)字邏輯模塊、像素陣列、列平行的增益電路和讀出電路、8位ADC、偏置DACs，如圖1所示。
主要引腳功能如表2。
表2 主要引腳功能描述
PB-0300有三種分開(kāi)的供電電源：數(shù)字電源、模擬電源和傳感器陣列電源。使用時(shí)要特別注意各電源間的相互影響。
2 圖像輸出格式與時(shí)序
PB-0300控制像素?cái)?shù)據(jù)輸出的信號(hào)有：幀有效（FRAME-VALID）信號(hào)、行有效（LINE-VALID）信號(hào)、像素時(shí)鐘（PIXCLK）信號(hào)。FRAME-VALID信號(hào)控制一幀有效圖像的輸出，高電平有效；LINE-VALID信號(hào)控制每行有效信號(hào)的輸出，(范文先生網(wǎng)m.panasonaic.com收集整理)高電平有效；PIXCLK信號(hào)控制每個(gè)像素的輸出，當(dāng)FRAME-VALID和LINE-VALID均為高電平時(shí)，每個(gè)像素時(shí)鐘周期輸出一個(gè)8位像素信號(hào)；并行的DOUT0～DOUT7是像素?cái)?shù)據(jù)的8位輸出，它們始終和像素時(shí)鐘同步。在PIXCLK處于下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)輸出和LINE-VALID都不能改變。在默認(rèn)的VGA（640×480）下，當(dāng)每行640個(gè)有效像素信號(hào)輸出之后，LINE-VALID變?yōu)榈碗娖剑琍B-0300按一定編碼方式向外輸出982個(gè)無(wú)效信號(hào)，然后再輸出像素信號(hào)。當(dāng)480行有效像素和無(wú)效信號(hào)完全輸出之后，傳感器再輸出9行空白信號(hào)。這期間FRAME-VALID為低電平，標(biāo)志著當(dāng)前幀的結(jié)構(gòu)和下一幀的開(kāi)始；同時(shí)，讀入寄存器的最新值，通過(guò)對(duì)寄存器編程而改變的圖像參數(shù)在下一幀生效。信號(hào)輸出時(shí)序如圖2所示。
3 寄存器設(shè)置
PB-0300共有64個(gè)寄存器（R0-R63），地址依次為00H～3FH，在缺省情況下有自動(dòng)曝光功能；可以改變輸出圖像的大小、位置和速度；通過(guò)調(diào)節(jié)像素累積時(shí)間、ADC參考和增益值可以控制采集到的圖像亮度。下面介紹幾個(gè)主要寄存器的功能。
*復(fù)位控制寄存器（R13）
R13能夠使PB-0300復(fù)位到上電后的缺省狀態(tài)。首先向R13的最低位寫(xiě)入“1”，使PB-0300處于復(fù)位狀態(tài)，然后再寫(xiě)入“0”繼續(xù)工作。
*窗口位置與大小控制寄存器（R1，R2，R3，R4）
控制采集圖像窗口的位置與大小。只有在此窗口內(nèi)的像素才能有效地讀出。窗口的像素個(gè)數(shù)最大值為640×480。R1為行起始坐標(biāo)，R2為列起始坐標(biāo)，（1024-R3）為有效行數(shù)，（1024-R4）為有效列數(shù)；窗口大小的默認(rèn)值為VGA（640×480），右上角坐標(biāo)為（0，0），左下角坐標(biāo)為（639，479）。
*像素累積控制寄存器（R8，R9）
控制像素的采光時(shí)間，R8為累積幀數(shù)，R9為累積行數(shù)，實(shí)際總的累積時(shí)間，即實(shí)際處理完一幀圖像的時(shí)間為：Tint=[(R8×(1024-R3)+R9)×Trow，其中，Trow為處理完一行有效像素所用的時(shí)間。一般的R8設(shè)置為0，R9的最大值為有效圖像窗口的行數(shù)。Tint的值應(yīng)該能信號(hào)避免由于光閃爍使圖像產(chǎn)生條紋。在60Hz光閃爍頻率下，Tint必須為1/120s的整數(shù)倍；50Hz頻率下，Tint必須為1/100的整數(shù)倍。
*幀速率控制寄存器（R5，R6，R10）
控制每行和每幀有效像素信號(hào)之間的無(wú)效信號(hào)時(shí)間。當(dāng)其它圖像參數(shù)改變時(shí)，通過(guò)改變上幀速度控制寄存器的值為調(diào)節(jié)幀速率。若通過(guò)R4減小有效像素列數(shù)后，處理一行有效像素的時(shí)間將變短，幀速率將增加。這時(shí)可以調(diào)節(jié)R5的值來(lái)增加每行元效信號(hào)的輸出數(shù)量和時(shí)間，從而使幀速率保持不變；同理，若改變有效像素行數(shù)時(shí)，調(diào)節(jié)R6來(lái)保持幀速率。R10是通過(guò)控制PIXCLK的輸出來(lái)改變像素輸出時(shí)間的。
圖2 信號(hào)輸出時(shí)序
*增益設(shè)置寄存器（R43，R44，R45，R46，R53）
設(shè)置輸出像素的各種顏色的增益值。像素信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前經(jīng)過(guò)增益放大電路，分別對(duì)各種顏色進(jìn)行處理，R43、R46分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色和紅色，R44、R45都對(duì)應(yīng)綠色，R53是全局設(shè)置。一般的照明情況下（100～1000lx），增益值為1～8，編程的值是多少，對(duì)應(yīng)的增益值就是多少。從R53可以讀出自動(dòng)曝光模式下的增益值。
*模數(shù)轉(zhuǎn)換參考（ADC）控制寄存器（R25）
通過(guò)改變模數(shù)轉(zhuǎn)換參考值，改變圖像的數(shù)字輸出，從而調(diào)節(jié)圖像亮度。當(dāng)圖像亮度大時(shí)，增加ADC值，得到的圖像將變暗；當(dāng)圖像較暗時(shí)，減小ADC值，得到的圖像將變亮。在非自動(dòng)曝光模式下，R25控制ADC的最大參考值（最小參考值為0），其典型值在24～38之間。在自動(dòng)曝光模式下，ADC參考值不能改變。
*信號(hào)漂移值設(shè)置寄存器（R32）
設(shè)置信號(hào)漂移值，調(diào)節(jié)圖像的亮度，可以設(shè)置正負(fù)兩種值。當(dāng)圖像太暗時(shí)，給R32加一個(gè)正值，像素信號(hào)變大，使得圖像變亮；當(dāng)圖像太亮?xí)r，給R32加一個(gè)負(fù)值，使圖像變暗。
4 PB-0300與單片機(jī)的接口
當(dāng)PB-0300復(fù)位至默認(rèn)狀態(tài)下時(shí)，能夠自動(dòng)工作，此時(shí)采用自動(dòng)曝光功能，輸出的圖像為640×480像素，輸出速率為30幀/s。也可以通過(guò)修改寄存器的值來(lái)改變傳感器的工作方式和提高圖像的輸出質(zhì)量。在MCS-51系列單片上，可以使用虛擬I2C總線(xiàn)軟件包VIIC模擬I2C總線(xiàn)，對(duì)PB-0300的寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)。接口電路如圖3所示。
PB-0300采用16位寄存器，需要寫(xiě)入2個(gè)字節(jié)，寫(xiě)滿(mǎn)之后寄存器地址自動(dòng)增加。所以對(duì)連接寄存器進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，只需寫(xiě)入第一個(gè)寄存器的地址；進(jìn)行讀操作時(shí)，先對(duì)控制寄存器空寫(xiě)一次，以明確操作對(duì)象，然后進(jìn)行讀數(shù)。子程序WRITE是將默認(rèn)狀態(tài)下R5的值（510）修改為340（0214H），使圖像輸出為VGA（640×480），輸出速率為25幀/s。子程序READ是以讀R9、R10為例的典型程序。子程序清單如下：
VSDA EQU P1.7
VSCL EQU P1.6
SLA EQU 50H
NUMBYT EQU 51H
MTD EQU 30H
MRD EQU 40H
WRITE：MOV 30H，#05H ；寄存器R5地址
MOV 31H，#02H ；寄存器值（0214H）
MOV 32H，#14H
MOV SLA，#0BAH ；尋址并為寫(xiě)操作
MOV NUMBYT，#03H ；寫(xiě)入字節(jié)數(shù)
LCALL WRNBYT
RET
READ：MOV 30H，#09H ；寄存器的R9地址
MOV NUMBYT，#01H ；寫(xiě)入字節(jié)數(shù)
MOV SLA，#0BAH ；尋址并為寫(xiě)操作
LCALL WRNBYT
MOV SLA，#0BBH ；尋址并為讀操作
MOV NUMBYT，#04H；讀出字節(jié)數(shù)
LCALL RDNBYT
RET
可以利用USB接口直接讀出PB-0300芯片的數(shù)據(jù)。在LINE-VALID和FRAME-VALID信號(hào)均為高電平時(shí)，按照像素時(shí)鐘PIXCLK的輸出讀數(shù)。由于USB接口速度快，能夠?qū)B-0300的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)。
PB-0300具有體積小、功耗低、接口簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，而且編程操作靈活，可以不用編程在默認(rèn)方式下工作，也可以通過(guò)編程來(lái)改變輸出圖像的質(zhì)量、大小和速度等，特別適合于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中。PB-0300系列目前流行使用的是PB-0330。
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