數(shù)字式CMOS攝像頭在智能車中的應(yīng)用

引言

　　飛思卡爾智能車比賽已經(jīng)成功舉辦4屆，以攝像頭為主要傳感器的參賽隊(duì)伍大多數(shù)選用了模擬CCD或模擬CMOS攝像頭。本文介紹了數(shù)字式CMOS攝像頭MT9M011的性能特點(diǎn)和工作方式，給出了MT9M011在基于HCSl2單片機(jī)的智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用方案，并分析了數(shù)字?jǐn)z像頭的優(yōu)勢(shì)和不足。

　　1 CMOS圖像傳感器的特點(diǎn)

　　CMOS圖像傳感器可通過CMOS技術(shù)將像素陣列與外圍支持電路(如圖像傳感器核心、單一時(shí)鐘、所有的時(shí)序邏輯、可編程功能和A／D轉(zhuǎn)換器)集成在同一塊芯片上。與CCD(電容耦合器件)圖像傳感器相比，CMOS圖像傳感器將整個(gè)圖像系統(tǒng)集成在一塊芯片上，具有體積小、重量輕、功耗低、編程方便、易于控制等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，可通過I2C、SPI等接口配置其曝光時(shí)間、增益控制等功能，可控性強(qiáng)。因此，CMOS圖像傳感器的應(yīng)用已經(jīng)變得越來越廣泛。

　　2 MT9M011的性能特點(diǎn)與工作方式

　　2．1 MT9M011的基本參數(shù)

　　MT9M011是一款：MierON公司推出的RGB三基色的130萬像素?cái)?shù)字式CMOS攝像頭，具有可編程控制及數(shù)字信號(hào)輸出等功能。其輸出為Bayer彩色格式，圖像尺寸為4．6 mm×3．7 mm，像素尺寸為3．6 μm×3．6 μm，最大分辨率為1 280×1 024，支持的最高時(shí)鐘頻率為25MHz；A／D轉(zhuǎn)換精度為10位，最大信噪比為44 dB，在最高分辨率模式下功耗為129 mW。

　　MT9M011輸出為逐行掃描的數(shù)字信號(hào)，通過內(nèi)嵌的10位ADC將模擬視頻信號(hào)采樣量化后同步輸出10位數(shù)據(jù)流。同時(shí)，MT9M011還提供像素時(shí)鐘(PIXCLK)、行有效信號(hào)(LVAL)、幀有效信號(hào)(FVAL)，以及配置MT9M011所需的I2C協(xié)議引腳SCLK和SDAT。

　　2．2 MT9M011的編程功能

　　MT9M011有25個(gè)寄存器，涉及攝像頭的各個(gè)方面，通過與I2C兼容的串行總線時(shí)序讀寫。結(jié)合智能車競(jìng)賽應(yīng)用重點(diǎn)介紹以下寄存器：

　　①行起始寄存器(Ox01)和列起始寄存器(Ox02)。這兩個(gè)寄存器決定輸出圖像的起始點(diǎn)坐標(biāo)。利用這兩個(gè)寄存器可以軟件調(diào)節(jié)攝像頭采集到的圖像整體位置。

　?、谛袑挾燃拇嫫?0x03)和列寬度寄存器(Ox04)。MT9M011的一大特色就是輸出數(shù)據(jù)的圖像大小可以任意調(diào)整。通過這兩個(gè)寄存器可以針對(duì)當(dāng)前的應(yīng)用環(huán)境(即賽道)設(shè)置合適的圖像范圍。

　　③曝光時(shí)間寄存器(Ox09)。該寄存器的值決定了攝像頭采集一幀圖像時(shí)感光元器件的感光時(shí)間。通過調(diào)整該寄存器值的大小可以直接調(diào)整圖像的成像質(zhì)量。

　?、軘?shù)據(jù)讀取模式寄存器(Ox20)。該寄存器可以使輸出的行數(shù)據(jù)和列數(shù)據(jù)減少至1／2或者1／4，也可以使輸出的圖像鏡面對(duì)稱。

　?、菰鲆嬖O(shè)置寄存器。它又包含Greenl分量增益設(shè)置寄存器(Ox2B)、Blue分量增益設(shè)置寄存器(Ox2C)、Red分量增益設(shè)置寄存器(Ox2D)、Green2分量增益設(shè)置寄存器(Ox2E)和全局增益設(shè)置寄存器(Ox2F)5個(gè)寄存器。由于RGB分量對(duì)同一光源表現(xiàn)出不同的數(shù)值，因此需要針對(duì)不同的光源情況分別調(diào)整前4個(gè)寄存器的值，而這也是這款攝像頭最大的缺點(diǎn)。

　　2．3 MT9M011的數(shù)字圖像輸出

　　2．3．1 Bayer彩色格式輸出

　　MT9M011的輸出為Bayer彩色格式(Bayer color pattern)。這種輸出格式直接將濾波陣列上每一個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的保留基色模擬電平值，通過A／D轉(zhuǎn)換后按時(shí)序先后輸出。圖1展示了這種輸出格式對(duì)應(yīng)的局部像素點(diǎn)陣。其中，黑色像素點(diǎn)為輸出有效數(shù)據(jù)的第一個(gè)點(diǎn)。

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　　2．3．2 MT9M011的輸出信號(hào)時(shí)序

　　像素?cái)?shù)據(jù)輸出時(shí)序和幀與行有效信號(hào)時(shí)序分別如圖2和圖3所示。像素時(shí)鐘與主時(shí)鐘同頻，在一幀圖像開始輸出時(shí)幀有效信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑粠敵鼋Y(jié)束時(shí)由高電平變?yōu)榈碗娖?；而行有效信?hào)則在一行數(shù)據(jù)輸出有效時(shí)由低電平變?yōu)楦唠娖剑恍袛?shù)據(jù)輸出完成后由高電平變?yōu)榈碗娖?。根?jù)MT9M0ll的輸出信號(hào)時(shí)序就能正確地采集整幀圖像。圖3中，P為幀消隱區(qū)，A為有效數(shù)據(jù)區(qū)，Q為行消隱區(qū)。

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　3 MT9M011在智能車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　3．1 硬件設(shè)計(jì)

　　MT9M011的電平是3．3 V，而HCSl2單片機(jī)系統(tǒng)的I／O電平是5 V，因此需要通過電平轉(zhuǎn)換芯片將攝像頭輸出數(shù)據(jù)的電平提升到5V。結(jié)合MT9M011的輸出信號(hào)時(shí)序關(guān)系和HCSl2單片機(jī)的特點(diǎn)，本文利用HCSl2的ECT模塊提取MT9M011的幀有效信號(hào)的上升沿，采用ECT模塊對(duì)應(yīng)引腳的普通I／O口功能采集行有效信號(hào)的上升沿。MT9M011的數(shù)據(jù)輸出信號(hào)有10位，鑒于賽道環(huán)境相對(duì)簡單，只截取高8位作為攝像頭信號(hào)輸出，既可以保證圖像分辨率，又可節(jié)省HCSl2的存儲(chǔ)空間。HCSl2單片機(jī)本身帶有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的I2C模塊，直接使用這個(gè)模塊與MT9M011的SCLK和SDAT相接。

　　3．2 軟件設(shè)計(jì)

　　3．2．1 HCSl2單片機(jī)I2C模塊配置

　　HCSl2單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的I2C模塊，SCLK引腳能產(chǎn)生多種時(shí)鐘頻率，支持主從模式，設(shè)有多種標(biāo)志位以供查詢。初始化I2C模塊時(shí)需要完成以下工作：

　?、僭O(shè)置IBFD寄存器，使產(chǎn)生的SCLK信號(hào)能夠?qū)T9M011進(jìn)行正常的配置；

　?、谠O(shè)置IBEN寄存器位，使能I2C模塊；

　?、墼O(shè)置IBCR，確定I2C模塊的主、從模式，收、發(fā)模式以及是否使能中斷功能等。