前言

圖像的采集和顯示系統(tǒng)有很多種，本文介紹的基于CMOS圖像傳感器芯片OV5017和CPLD的圖像采集顯示系統(tǒng)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、控制方便的特點(diǎn)。

1 CMOS圖像傳感器的一般特征

目前，CCD（電荷耦合器件）是主要的實(shí)用化固態(tài)圖像傳感器件，它具有讀取噪聲低、動(dòng)態(tài)范圍大、響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。但CCD技術(shù)難以與CMOS技術(shù)集成于同一芯片之中。這樣，諸如定時(shí)產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)放大、自動(dòng)曝光控制、模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理等支持電路就不能與像素陣列做同一芯片上，以CCD為基礎(chǔ)的圖像傳感器難以實(shí)現(xiàn)單片一體化，因而具有體積大、功耗高等缺點(diǎn)。 CMOS圖像傳感器是近向年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同的CMOS技術(shù)，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上。實(shí)際上，CMOS圖像傳感器是一個(gè)較完整的圖像系統(tǒng)（Camera on Chip），通常包括：一個(gè)圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘、所有的時(shí)序邏輯、可編程功能和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其基本結(jié)構(gòu)見圖1。與CCD相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、重量輕、功耗低；

（2）編程方便、易于控制；

（3）平均成本低。

2.OV5017的基本性能

OV5017是美國OmniVision公司開發(fā)的CMOS黑白圖像傳感器芯片，該芯片將CMOS光感應(yīng)核與外圍支持電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/數(shù)混合輸出等功能，其輸出的模擬視頻為黑白圖像，與CCIR標(biāo)準(zhǔn)兼容。

OV5017芯片的基本參數(shù)為：

（1）圖像尺寸4.2mm×3.2mm，像素尺寸11μm×11μm;

（2）信噪比SNR》42dB;

（3）幀頻50時(shí)，最小照度為0.5lux@f1.4MHz；

（4）幀頻50時(shí)，峰值功耗小于100mW。

OV5017輸出模擬視頻信號(hào)，格式為逐行掃描。OV5017內(nèi)部嵌入了一個(gè)8bit的A/D，因而可以同步輸出8位的數(shù)字視頻流D［7…0］。在輸出數(shù)字視頻流的同時(shí)，還提供像素時(shí)鐘PCLK、水平參考信號(hào)HREF、垂直同步信號(hào)VSYNC，便于外部電路讀取圖像。

OV5017的像素陣列為384×288，分為16×16的子塊，每個(gè)子塊大小為24×18，可以在整個(gè)圖像的局部開窗，輸出窗口中的圖像。

3 CPLD簡(jiǎn)介

CPLD是Complex Programmable Logic Device的簡(jiǎn)稱。它是從PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高密度PLD器件，它們大多采用CMOS、EPROM、EEPROM和快閃存儲(chǔ)器（Flash Memory）等編程技術(shù)，因而具有高密度、高速度和低功耗等特點(diǎn)。與FPGA（Field Programmable Gate Array）的區(qū)別從電路形式來講最大的區(qū)別是CPLD不需要配置器件。因此電路上比FPGA簡(jiǎn)單。而且在調(diào)試上面也很容易。本系統(tǒng)就采用CPLD，型號(hào)為Altera公司的EPM9320RC208-15。

5. 基于OV5017和CPLD的圖像采集顯示系統(tǒng)框圖

工作流程：CPLD控制OV5017的功能并且接受它的數(shù)據(jù)信號(hào)與行場(chǎng)同步和時(shí)鐘。由CPLD產(chǎn)生行場(chǎng)緩沖器和LCD的控制信號(hào)。

5.1關(guān)鍵信號(hào)分析。

Ov5017的像素時(shí)鐘為fp=7.19MHz。輸出為384x288。CPLD的時(shí)鐘是f=27 MHz，場(chǎng)緩沖的寫時(shí)鐘是fvw=7.19MHz， 讀時(shí)鐘是fvr=6.75MHz，行緩沖的寫時(shí)鐘是flw=6.75MHz， 讀時(shí)鐘是flr=13.5MHz ，LCD的顯示時(shí)鐘是flcd=27MHz。在這種時(shí)鐘的設(shè)計(jì)下實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)信號(hào)的采樣和一點(diǎn)變兩點(diǎn)，一行變兩行的功能。最后的顯示是640x480。fp信號(hào)由ov5017產(chǎn)生，fvw=fp。fvr=1/4f flw=fvr flr=2flw flcd=f。

5.2設(shè)計(jì)行場(chǎng)掃描時(shí)序

一般有兩種方式：查找表方式和編程邏輯方式。查找表方式主要由存儲(chǔ)芯片構(gòu)成，如SRAM、EPROM、PORM等。使用時(shí)，先根據(jù)所要產(chǎn)生的時(shí)序在存儲(chǔ)單元寫入相應(yīng)的數(shù)值，查表時(shí)再從表內(nèi)讀出時(shí)應(yīng)存儲(chǔ)單元的數(shù)值，以形成掃描時(shí)序。掃描時(shí)序查找表分為行掃描時(shí)序查找表和場(chǎng)掃描時(shí)序查找表。場(chǎng)掃描時(shí)序查找表的輸入時(shí)鐘由行同步脈沖提供。用查找表形成時(shí)序的方法存在體積大、計(jì)算煩瑣的缺點(diǎn)。隨著大規(guī)模邏輯芯片的出現(xiàn)，利用編程邏輯方法產(chǎn)生行場(chǎng)掃描時(shí)序是一個(gè)發(fā)展方向。這種方法具有電路簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)、修改方便、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

VHDL語言程序（略）。

本系統(tǒng)部分信號(hào)的仿真波形如下：

信號(hào)說明：

vsyncout:LCD的場(chǎng)同步 hreflcd：LCD的行同步

tdmg：LCD的數(shù)據(jù)顯示允許使能 wev：場(chǎng)緩沖的寫允許

rev：場(chǎng)緩沖的讀允許 wrstv：場(chǎng)緩沖的寫復(fù)位

rrstv：場(chǎng)緩沖的讀復(fù)位 wrsth ：行緩沖的寫復(fù)位

rrsth ：行緩沖的讀復(fù)位

在這些信號(hào)的控制之下，OV5017輸出的384x288的視頻數(shù)據(jù)最后以640x480的格式在LCD上面顯示出來。

這種用VHDL產(chǎn)生掃場(chǎng)描時(shí)序的方法簡(jiǎn)單、易讀，并且易于修改。在代碼中只須修改一些時(shí)序參數(shù)就能產(chǎn)生任意時(shí)序的波形，具有很好的可重用性。

6.總結(jié)

該系統(tǒng)由于省略了A/D等器件，因而具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，由于OV5017內(nèi)部嵌入曝光、增益、開窗等控制電路，并且編程方便，這就提高了采集系統(tǒng)在功能上的靈活性。采用CPLD技術(shù)設(shè)計(jì)的LCD控制器，大大減少了電路板的尺寸，同時(shí)增加了系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性。這種用VHDL語言實(shí)現(xiàn)LCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序生成器的方法，具有簡(jiǎn)便易讀和可重用性強(qiáng)的特點(diǎn)。本系統(tǒng)適合于監(jiān)控、多媒體等應(yīng)用范圍。

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