基于I2C總線的CMOS圖像傳感器接口電路設(shè)計(jì)

1引言

數(shù)碼相機(jī)等圖像消費(fèi)類電子產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)正在飛速發(fā)展，這使得圖像傳感器和數(shù)碼相機(jī)專用集成芯片的研制獲得巨大的市場(chǎng)支持。目前廣泛使用的數(shù)碼相機(jī)圖像傳感器主要是以下兩種:CCD和CMOS。CCD圖像傳感器具有技術(shù)成熟、圖像噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但由于制作工藝復(fù)雜，與標(biāo)準(zhǔn)工藝不兼容，且需要高電壓供電，芯片功耗大，目前僅在型數(shù)碼相機(jī)市場(chǎng)上占有一席之地。而CMOS圖像傳感器采用了CMOS工藝，可以將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上，因而具有集成度高、功耗低、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。隨著噪聲消除技術(shù)的改進(jìn)，目前CMOS圖像傳感器正由中、低檔數(shù)碼相機(jī)向型數(shù)碼相機(jī)發(fā)展。

現(xiàn)在的CMOS圖像傳感器芯片大都把I2C總線的一個(gè)子集作為控制接口(如Motorola公司的MCM20027,Omnivision公司的OV9620等),因而用戶可以很方便地對(duì)芯片進(jìn)行編程操作。與其他串行總線相比，I2C總線以兩根連線實(shí)現(xiàn)了全雙工同步數(shù)據(jù)傳送，可以極方便地構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行擴(kuò)展，適用于消費(fèi)電子、通信電子、工業(yè)電子等領(lǐng)域的低速器件。I2C總線由雙向數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL組成川，用戶使用集電極開(kāi)路門以“線與”方式進(jìn)行總線連接。圖1為I2C總線的通信協(xié)議示意圖，包括開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)、應(yīng)答信號(hào)和數(shù)據(jù)有效等狀態(tài)。當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時(shí)，SDA由‘1'跳變到‘0'，表示開(kāi)始信號(hào)；當(dāng)SCL持續(xù)為高電平時(shí)，SDA由‘0'跳變到‘l'，表示結(jié)束信號(hào)：在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，SDA在時(shí)鐘高電平時(shí)有效，低電平時(shí)更換數(shù)據(jù)。開(kāi)始和結(jié)束信號(hào)均由主I2C產(chǎn)生，通過(guò)SDA傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以字節(jié)(8—bit為單位，高位在前，低位在后，在每個(gè)字節(jié)后面由接收端發(fā)送一個(gè)低電平的應(yīng)答信號(hào)。

本文設(shè)計(jì)了一種基于I2C控制總線的CMOS圖像傳感器接口電路，能夠有效控制CMOS圖像傳感器的指令，產(chǎn)生數(shù)碼相機(jī)專用集成電路其他模塊的同步時(shí)序，在MCU的控制下完成取景和拍照操作，并支持多種規(guī)格的CMOS圖像傳感器和液晶顯示器。

2頂層設(shè)計(jì)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的系統(tǒng)要求[2],CMOS圖像傳感器接口用來(lái)控制達(dá)400萬(wàn)像素多種規(guī)格的CMOS圖像傳感器，并且在MCU的控制下，能控制傳感器芯片的自動(dòng)／手動(dòng)曝光和自動(dòng)／手動(dòng)白平衡及其他芯片支持的功能。該接口電路能夠在取景和拍照兩種模式下工作，在取景模式下，實(shí)現(xiàn)可編程的降采樣處理，能夠輸出以4的倍數(shù)為基準(zhǔn)的任意分辨率的圖像，并接受多種規(guī)格的液晶顯示器，取景速度達(dá)到30幀／s。

根據(jù)上述功能要求將CMOS圖像傳感器接口劃分為三個(gè)模塊：主I2C總線接口模塊、寄存器文件接口和可編程降采樣模塊，其總體框圖和輸入輸出端口線如圖2所示。端口線主要有：①和MCU接口的連接，包括MCU_AB(地址總線)，MCU_DB(數(shù)據(jù)總線)，MCU_nWR(寫使能)，MCU_nRD(讀位能)，MCU—nCS(MCU操作選中信號(hào))和MCU nINT(中斷信號(hào))②和CMOS圖像傳感器的連接，包括來(lái)自CMOS圖像傳感器的幀同步(VC L K)、行同步(H C L K)、像素同步(PCLK)、數(shù)據(jù)ADC(10位CMOS輸出的數(shù)值)，以及I2C總線的SDA，SCL，SCCB_E等：③和數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的其他子模塊相連，如VSYNC(幀同步)、HSYNC(行同步)、PSYNC(像素同步)、ADCOUT(輸出圖像數(shù)據(jù))。

3模塊設(shè)計(jì)

3.1寄存器文件模塊

寄存器文件模塊包括一個(gè)中斷狀態(tài)機(jī)和MCU接口。中斷狀態(tài)機(jī)用以控制主I2C總線模塊，降采樣處理模塊和MCU接口的協(xié)調(diào)工作，它主要包括5個(gè)狀態(tài)：INT_DECIDE，INT_I2C_READ，INT_MCU_READ,INT_I2C_WRITE和INT_CLEAR。狀態(tài)機(jī)缺省狀態(tài)為INT_DECIDE判決狀態(tài)，表示狀態(tài)機(jī)處于等待狀態(tài)：INT_I2C_READ表示I2C,總線正在從CMOS傳感器讀數(shù)據(jù)：INT_12C_WRITE表示I2C總線正在從CMOS傳感器寫數(shù)據(jù)：INT_MCU_READ表示MCU正從I2C上讀數(shù)據(jù)：INT_CLEAR表示清中斷。

MCU接口通過(guò)給內(nèi)部寄存器讀寫參數(shù)，使CMOS圖像傳感器接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)取景、拍照和軟復(fù)位的功能：并通過(guò)I2C總線給CMOS傳感器的內(nèi)部參數(shù)寄存器讀寫參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CMOS傳感器進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，以充分發(fā)揮CMOS傳感器的性能。其中內(nèi)部寄存器包括控制寄存器和降采樣寄存器，降采樣寄存器主要給降采樣處理模塊提供可編程所需要的參數(shù)?？刂萍拇嫫鳛榈?位有效，第0位為軟復(fù)位位，當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位或系統(tǒng)設(shè)置該位為l時(shí)，整個(gè)接口置于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置該位為0時(shí)，則取消復(fù)位狀態(tài)變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)。第1和第2位一起用來(lái)控制拍照和取景操作，當(dāng)兩位均為1時(shí)表示拍照狀態(tài)：當(dāng)?shù)?位為1，第2位為0時(shí)表示取景狀態(tài)；第3位用來(lái)表示中斷位。

3.2主I2C總線接口

由于CMOS圖像傳感器目前普遍采用的是I2C總線功能集中的一個(gè)子集，因此該接口比一個(gè)完整的主I2C總線要更簡(jiǎn)單。它的讀寫周期如下：當(dāng)要進(jìn)行I2C總線寫操作時(shí)，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫地址，緊接著發(fā)送需要寫的寄存器的地址(sub_address),再發(fā)送數(shù)據(jù)(data)；當(dāng)進(jìn)行I2C總線讀操作時(shí)，先發(fā)送所使用的CMOS傳感器特定ID寫地址，緊接著發(fā)送需要寫的寄存器的地址(sub_address),再發(fā)送CMOS傳感器特定ID讀地址，接收數(shù)據(jù)(data)。對(duì)于不同的CMOS傳感器產(chǎn)品，它們的ID地址是不同的，例如Omnivision公司為60h(寫)[3]、61h(讀)Motorola公司為66h(寫)[4]、67h(讀)。

考慮該主I2C總線的讀寫周期的特殊性，將該I2C總線設(shè)計(jì)成如圖3所示的總體結(jié)構(gòu)。主要包括控制狀態(tài)機(jī)、數(shù)據(jù)緩存器、SDA產(chǎn)生接收器、SCL產(chǎn)生器以及并-串轉(zhuǎn)換和串-并轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)緩存器用來(lái)將要通過(guò)I2C總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)組合成所需要的格式，由于CMOS圖像傳感器的I2C總線特殊的讀寫操作格式，因此可以將需要傳輸?shù)腎D地址、sub address和data組合在一個(gè)30位的緩存器中，它的低六位用來(lái)表示高24位的3個(gè)字節(jié)的屬性，以便正確的傳輸，通過(guò)這種數(shù)據(jù)組合，便于I2C總線傳輸和識(shí)別。串-并轉(zhuǎn)換和并-串轉(zhuǎn)換本質(zhì)上是兩個(gè)移位寄存器，用來(lái)將接收到的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成并行數(shù)據(jù)或并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成要發(fā)送的串行數(shù)據(jù)。SDA產(chǎn)生接收器用宋生成主總線的控制命令如開(kāi)始、結(jié)束和應(yīng)答位等(和SCL配合工作)，隨后接收和讀取數(shù)據(jù)。SCL產(chǎn)生器用來(lái)產(chǎn)生I2C總線的時(shí)鐘信號(hào)和控制命令信號(hào)(和SDA配合工作)。控制狀態(tài)機(jī)主要負(fù)責(zé)控制整個(gè)I2C總線的流程，其狀態(tài)圖如圖4所示。主要包括以下八個(gè)狀態(tài)：IDLE(等待讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù))、LOAD(加載需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù))、START(發(fā)送開(kāi)始信號(hào))、WRRD(I2C總線處于讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)狀態(tài))、DECIDE(判決當(dāng)前狀態(tài)是讀取數(shù)據(jù)還是寫入數(shù)據(jù))、WR_ACK(寫應(yīng)答)、RD_ACK(讀應(yīng)答)、STOP(發(fā)送結(jié)束信號(hào))。例如給CMOS圖像傳感器的一個(gè)寄存器寫一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，需要經(jīng)歷以下?tīng)顟B(tài)：IDLE→LOAD→START→WRRD→WR_ACK→WRRD→WR_ACK→WRRD→WR_ACK→STOP→IDLE;一個(gè)字節(jié)的寫操作的ActiveHDL的仿真時(shí)序如圖5所示。

3.3可編程降采樣模塊

可編程降采樣模塊是通過(guò)MCU給內(nèi)部的降采樣寄存器寫入需要的降采樣參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)可編程的，接口內(nèi)一共有6個(gè)降采樣參數(shù)寄存器：總行數(shù)寄存器(hrefprecnt)、總列數(shù)寄存器(pixprecnt)、行丟寄存器(hrefdropcnt)、列丟寄存器(pixdropcnt)、行降采樣寄存器(vdscnt)、列降采樣寄存器(hdscnt)，各個(gè)寄存器參數(shù)所表示的意義如圖6所示。操作過(guò)程如下：先跳過(guò)列丟寄存器值和行丟寄存器值數(shù)目的列和行，接下來(lái)保留總列數(shù)寄存器值和總行數(shù)寄存器值數(shù)目的列和行，在這些保留的行和列當(dāng)中用列降采樣寄存器和行降采樣寄存器的值進(jìn)行降采樣：行降采樣寄存器和列降采樣寄存器分為兩部分：保留和丟棄，保留和丟棄的像素和行的數(shù)目均為偶數(shù)且為連續(xù)的像素，從而保證降采樣后輸出的像素滿足RGRG…RG或GBGB…GB的Bayer格式。通過(guò)這樣幾個(gè)降采樣寄存器可以很方便實(shí)現(xiàn)的各種分辨率的降采樣，能夠輸出任意4的倍數(shù)的分辨率的圖像，因而可以很方便的支持多種規(guī)格的LCD顯示器。

4電路的FPGA驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)上述頂層設(shè)計(jì)和各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)后，用Verilog語(yǔ)言[5]來(lái)實(shí)現(xiàn)，并用ActiveHDL來(lái)進(jìn)行RTL級(jí)仿真，并對(duì)電路進(jìn)行了FPGA驗(yàn)證，使用的芯片是Xilinx公司的SPARTANIIXC2S200PQ208，系統(tǒng)時(shí)鐘為54MHz，F(xiàn)PGA綜合的結(jié)果顯示需要FPGA芯片的11％的SLICEs，22％的IOBs和25％的GCLKIOBs。整個(gè)測(cè)試流程由MCU控制，在拍照模式下，CMOS圖像傳感器的數(shù)據(jù)流經(jīng)CMOS接口采樣存儲(chǔ)在SDRAM中，再由EPP接口上傳至PC上：在取景模式下，則有LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示。該接口電路在各種工作模式下功能驗(yàn)證正確。

FPGA驗(yàn)證通過(guò)后，作為數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的一部分采用上華0．6μm工藝庫(kù)進(jìn)行了ASIC的后端自動(dòng)綜合，包括用Design Compiler(Synopsys公司)進(jìn)行邏輯綜合、Prime Time(Synopsys公司)做版圖前驗(yàn)證、Silicon Ensemble(Cadence公司)做自動(dòng)布局布線、Virtuoso(Cadence公司)做DRC和LVS，得到的版圖面積約為3.7mm×3.7mm，綜合頻率為25MHz，在5V供電下，功耗約為150mW。

5結(jié)論

CMOS圖像傳感器接口電路的設(shè)計(jì)模塊可以分為寄存器文件、主12C總線接口和可編程降采樣模塊3部分，經(jīng)過(guò)電路的頂層設(shè)計(jì)和各個(gè)子模塊的功能設(shè)計(jì)，進(jìn)行了Verilog語(yǔ)言代碼實(shí)現(xiàn)，用ActiveHDL進(jìn)行了RTL級(jí)仿真，并進(jìn)行了FPGA驗(yàn)證，功能設(shè)汁正確，并打算作為數(shù)碼相機(jī)專用集成電路芯片的一部分到工藝廠流片。

審核編輯黃昊宇