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CMOS相机时序控制一、实验的性质综合二、实验的目的1.理解CMOS相机的工作原理2.熟悉CMOS相机的组成及设计原理3.掌握CMOS相机的时序控制原理及设计电路三、实验的时间分配8个学时四、实验地点电子信息工程专业基础实验室五、实验内容与要求一）实验要求1.了解CMOS图像传感器的3个标准时序信号2.理解CMOS图像传感器时序控制的基本原理3.掌握相机的时序波形二）实验内容1.CMOS图像传感器OV7620的特性OminiVision公司生产的CMOS芯片OV7620,它是一款集成了一个640×480(30万像素)图像矩阵的彩色摄像芯片,在隔行扫描模式下工作频率可达60Hz,逐行扫描时为30帧/秒。其像面大小为1/3英寸,支持8位或16位数字信号从单通道或双通道输出,输出信号的类型可在YCrCb和RGB之间选择,图像矩阵支持VGA或CIF规定,数字输出格式遵循CCIR601,ZVPorts,CCIR656等标准。OV7620有很强的摄像和控制功能,如曝光控制,γ校正,增益,色彩矩阵,窗口选择等,所有这些功能都可以通过I2C接口进行编程控制。OV7620是一种数字输出的图像传感器芯片，不需外接控制器就可以直接输出数字视频信号，芯片同时输出标准时序信号VSYNC（垂直同步信号）、HREF（水平同步信号）和PCLK（像素时钟），用作外部电路读取图像数据的参考信号。它具有如下显著特点：(1)640×480的标准VGA图像分辩率，且输出高保真的数字化图像；(2)可逐行扫描或隔行扫描输出；(3)输出视频数据格式可为YCrCb4:2:2、GRB4:2:2或RGB原始数据；(4)可输出标准NTSC或PAL制式时序；(5)通过I2C总线可灵活实现对OV7620各种工作模式的程控；(6)1～500倍的自动曝光范围；(7)自动增益和白电平平衡控制；(8)能进行亮度、对比度、饱和度等多种调校功能；(9)输出窗口可从4×4～640×480之间任意调整（电子变焦）；(10)可输出单帧图像或单行图像；(11)单5V供电，工作功耗200mW，待机功耗100μW。OV7620的可编程功能非常强大，还包括帧频设定、曝光设定、图像开窗、增益控制等。所有的这些功能设定和视频数据输出都是基于寄存器读写的，和读写普通RAM一样方便。它的寄存器各自完成不同的功能设定，这里不再详细介绍，可参考OV7620芯片资料。绝大多数的信号处理是在模拟处理模块中实现的，它可以实现颜色分离、矩阵转换、AGC、ｒ系数矫正、色彩矫正、色彩平衡、黑电平校准、平滑、光圈矫正、照度和色度图像的控制、抗混淆滤波。模拟视频信号是根据下式定义的：Y＝0.59G+0.31R+0.11B;其中R、G、B是每个像素中的相应的颜色成分U＝R-YV＝B-Y另一种输出数据模式是YCrCb，它的公式如下：Y＝0.59G+0.31R+0.11BCr=0.713×(R-Y)Cb=0.564×(B-Y)YCrCb/RGB原始数据信号送入两个10位A/D转换器，一个转换器供Y、R、G通道使用，另一个供CrCb和BG通道共用。A/D转换数据线安装在数字编码器内部，数据视频口具有16位或8位数据开关。OV7620为黑白图像传感器。在黑白工作模式下，UV端口被置于三态，所有的数据均从Y端口输出。OV7620支持编程交换Y/UV或RGB输出字节的重要性。Y7～Y0默认的顺序是Y7是最重要的，Y0是最不重要的。交换后，Y7就是最不重要的，Y0是最重要的，其余位按对应位置交换，本设计采用默认设置。OV7620工作方式和输出格式非常多,可以适应不同的应用场合,针对我们的较小系统,采用了单通道Y输出,以及逐行扫描的工作方式。这些工作方式的实现是通过MCU的I2C编程控制的。2.OV7620的视频时钟信号OV7620提供标准的视频时钟信号如：VSYNC、HREF、PCLK、FODD、CHSYNC。前三种信号对电路的设计起重要的作用。由于本设计采用的是连续拍摄工作模式，故设计中也仅使用VSYNC、HREF和PCLK这三种时钟信号。当OV7620设置工作方式稳定后,它就会输出视频数据,同时还有3个重要的参考信号输出:帧同步信号VSYNC,水平同步信号HREF,和像素时钟信号PCLK。参见图1,每一个帧同步信号VSYNC周期包含480个水平同步信号HREF脉冲,而每一个HREF周期包含640个PCLK时钟脉冲。每一个PCLK时钟输出一个像素的视频数据(8位标准的Bayer2pattern彩色RGB数据)。PCLK像素时钟HREF行同步PIXELDATA灰度数据图1－a．水平时序图VSYNCHREF帧同步行同步图1－b．垂直时序图图1OV7620的水平及垂直时序中的行场同步信号3．相机的同步信号的测量见图2和图3。本系统设置的工作模式为黑白，分辨率取到了640×480。CMOS芯片的数据输出波形如图所示，图中VSYNC为垂直场同步信号，其下降沿表示一帧图像的开始，其上升沿表示一行信号的开始。HREF为水平窗口开始信号，以其上升沿开始，输出有效数据。PCLK为象素时钟信号，即数据输出同步时钟信号，其下降沿更新舒服，上升沿数据是稳定时期，可以读取数据，其数据按行输出，Y为图像灰度数据图2相机的帧同步VSYNC(CH1)和行同步HREF(CH2)时钟图3相机的行同步HREF(CH1)和像素时钟PCLK(CH2)3）实验步骤1.打开上位机执行程序，点击”设置”按钮，选择”USB”和“串口”显示方式。选择显示图像按扭。2.选择“显示图像按扭”。3．在图像的采集过程中，利用示波器观察CMOS图像传感器的3个时钟信号的波形。六、注意事项1．上电后，传输图像时注意观测USB接口灯和RS232接口灯是否正常。2．如果成像不正常，但接口指示灯指示正常，检测PCLK，VSYNC，HREF是否正常。