I2C总线CMOS型PB-0300数字图像传感器

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摘要：介绍CMOS型数字图像传感器PB-0300的性能特点、功能设置、与MCS-51系列单片机的接口电路及编程技术。

    关键词：I2C总线 数字图像 传感器

1 功能描述

1.1 性能特点

PB-0300系列CMOS型有源像素数字图像传感器，内置模数转换8、位并行数据输出、64个内部寄存器，采用I2C总线控制，可编程控制；可以在彩色和黑白两种模式下工作。当外接24MHz时钟晶振时，可以获得30帧/s的图像输出。在上电期间，自动调入缺省参数设置，包括自动曝光功能，所以可以不编程情况下使用传感器。主要性能指标如表1。

表1 主要性能指标

阵列格局	640×487（311 680像素） VGA参考：640×480（307 200像素）
像素大小和类型	有源光电二极管，空间分辨力：7.9μm×7.9μm
帧速率/（帧/s）	0～39
最大数据传输速度/（MB/s）	24（在24MHz时钟下）
功率/mW	300（最大数据速度下）
数字信噪比（1lux条件下）	大于20dB(10:1)（对绿色像素，30Hz的以照明度）
数字敏感度	红色：950bit/lux-second,绿色：650bit/lux-second， 蓝色：750bit/lux-second，（增益为10，ADC参考为+5.0V）
工作电压/V	+5.0
工作电流/mA0	60
工作温度/℃	-5～70
输出	8位彩色（单色）数字输出
快门	电子旋转抓拍
可编程控制项	窗口尺寸和位置、信号增益、曝光参数、自动曝光参数、ADC参考、帧速率、DAC偏置

1.2 内部结构

PB-0300由五大部分组成：数字逻辑模块、像素阵列、列平行的增益电路和读出电路、8位ADC、偏置DACs，如图1所示。

主要引脚功能如表2。

表2 主要引脚功能描述

引脚名称	工作方式	功  能  描  述
LINE_VALID	输出	行有效信号--图像数据在数据输出总线上时有效
FRAME_VALID	输出	帧有效信号
SDATA	输入/输出	I2C数据通道
SCLK	输入	I2C时钟
PIX_CLOCK	输出	像素时钟，下降沿有效
CLOCK_OUT	输出	主时钟输出
CLOCK_IN	输入	时钟输入，标称主时钟为24MHz
DOUT0～7	输出	8位并行数据输出
SADDR	输入	器件连线地址脚，SADDR=5V：写地址=BA，读地址=BB；SADDR=0V:写地址=92，读地址=93
VREF1	输出	ADC参考偏置
STANDBY	输入	关闭模拟偏置电路和内部时钟（省电）
RESET_BAR	输入	复位键，低电平有效

PB-0300有三种分开的供电电源：数字电源、模拟电源和传感器阵列电源。使用时要特别注意各电源间的相互影响。

2 图像输出格式与时序

PB-0300控制像素数据输出的信号有：帧有效（FRAME-VALID）信号、行有效（LINE-VALID）信号、像素时钟（PIXCLK）信号。FRAME-VALID信号控制一帧有效图像的输出，高电平有效；LINE-VALID信号控制每行有效信号的输出，javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>高电平有效；PIXCLK信号控制每个像素的输出，当FRAME-VALID和LINE-VALID均为高电平时，每个像素时钟周期输出一个8位像素信号；并行的DOUT0～DOUT7是像素数据的8位输出，它们始终和像素时钟同步。在PIXCLK处于下降沿时，数据输出和LINE-VALID都不能改变。在默认的VGA（640×480）下，当每行640个有效像素信号输出之后，LINE-VALID变为低电平，PB-0300按一定编码方式向外输出982个无效信号，然后再输出像素信号。当480行有效像素和无效信号完全输出之后，传感器再输出9行空白信号。这期间FRAME-VALID为低电平，标志着当前帧的结构和下一帧的开始；同时，读入寄存器的最新值，通过对寄存器编程而改变的图像参数在下一帧生效。信号输出时序如图2所示。

3 寄存器设置

PB-0300共有64个寄存器（R0-R63），地址依次为00H～3FH，在缺省情况下有自动曝光功能；可以改变输出图像的大小、位置和速度；通过调节像素累积时间、ADC参考和增益值可以控制采集到的图像亮度。下面介绍几个主要寄存器的功能。

*复位控制寄存器（R13）

R13能够使PB-0300复位到上电后的缺省状态。首先向R13的最低位写入“1”，使PB-0300处于复位状态，然后再写入“0”继续工作。

*窗口位置与大小控制寄存器（R1，R2，R3，R4）

控制采集图像窗口的位置与大小。只有在此窗口内的像素才能有效地读出。窗口的像素个数最大值为640×480。R1为行起始坐标，R2为列起始坐标，（1024-R3）为有效行数，（1024-R4）为有效列数；窗口大小的默认值为VGA（640×480），右上角坐标为（0，0），左下角坐标为（639，479）。

*像素累积控制寄存器（R8，R9）

控制像素的采光时间，R8为累积帧数，R9为累积行数，实际总的累积时间，即实际处理完一帧图像的时间为：Tint=[(R8×(1024-R3)+R9)×Trow，其中，Trow为处理完一行有效像素所用的时间。一般的R8设置为0，R9的最大值为有效图像窗口的行数。Tint的值应该能信号避免由于光闪烁使图像产生条纹。在60Hz光闪烁频率下，Tint必须为1/120s的整数倍；50Hz频率下，Tint必须为1/100的整数倍。

*帧速率控制寄存器（R5，R6，R10）

控制每行和每帧有效像素信号之间的无效信号时间。当其它图像参数改变时，通过改变上帧速度控制寄存器的值为调节帧速率。若通过R4减小有效像素列数后，处理一行有效像素的时间将变短，帧速率将增加。这时可以调节R5的值来增加每行元效信号的输出数量和时间，从而使帧速率保持不变；同理，若改变有效像素行数时，调节R6来保持帧速率。R10是通过控制PIXCLK的输出来改变

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