使用51单片机配置CMOS图像传感器

1、使用51单片机配置CMOS图像传感器本项目任务要达到通过MCS-51单片机对OV9121CMOS图像传感器进行初始化配置，并控制其工作的目的。从而使CMOS图像传感器能按要求的工作模式进行工作，实现图像的采集和数字图像数据的顺序输出。1器件选择及介绍本课题中用到的器件包括AT89C51单片机，OV9121CMOS图像传感器，SN74LVC4245A电平转换芯片。编程语言是C,软件运行环境是KeilC。1.1CMOS芯片介绍选用OmniVision公司生产的OV9121芯片。该芯片是用于数字静态图像和摄像产品的高性能数码相机芯片,为130万像素、镜头尺寸1/2英寸，黑白CMOS图像传感芯片。这款

2、器件集成了一个1280 x1024（SXGA）的图像阵列和一个在全分辨率下帧速达到15帧/s的片上10位A/D转换器，并改进了微透镜设计以减少阴影。可以选择采用SXGA/VGA格式输出，最大帧速为30帧/s。专有的传感器技术采用了先进的计算方法以消除固定模式噪声（FPN）,消除拖尾效应，并大幅度减少图像浮散。同时用户可以选择让它工作在主/从模式下。当其工作在从模式下时,主设备向它提供必要的时序信号,控制其工作。除此以外,OV9121还具有SCCB接口，用户可通过该接口对CMOS进行编程,修改其内部参数,以满足用户需求。芯片内的控制寄存器允许了时间，极性，以及芯片操作的灵活控制，这样反过来给工程

3、人员在产品设计上带来了很大的自由空间。OV9121芯片采用48个引脚的表面贴装型封装（CLCC-48）。如图1所示。s茗-I2B壬rm一削塁-IOJS訓呂2:4OOAQ2219PCLK3115DG07D8関09翱DOVDDS7DOGIND3HREF33CHSYNC341BASUB氏GND&VDD7CCHG1GOV9625/OV912114FSBN13VGA12EKPSTB11SCCB_E10RESETNCVSTING411NC42FREXPWDNh蛊已工9舌UIOAWalE*工O-茎S8图1.OV9121封装引脚图按其引脚功能这些引脚可分为：1电源引脚SVDD,DEVDD,DEGND,AVDD

4、,AGND,ASUB,ADVDD,ADGNDDVDD,DGND,DOVDD,DOGND,SGND（共13根）DEGND,AGND,ADGND,DGND,DOGND,SGND,ASUB,:接地AVDD,SVDD,DEVDD,ADVDD,DOVDD:接+3.3V电压。DVDD：接+2.5V电压。2模拟信号引脚VrHIGH,NBIT,VrLOW,VcCHG,VrAD2,VcCHG（共6根）前5个均为旁路到地使用一个0.1F电容,VcCHG为旁路到地使用一个1pF电容。3.时钟信号XCLK1,XCLK2,PCLK（共3根）XCLK1是外部晶振时钟信号的输入端，XCLK2是晶振时钟信号的输出端。PCLK

5、是像素时钟输出端,无论是在主从模式下，像素数据输出都与PCLK,HREF和PCLK时钟同步（如果端口是从模式则为MCLK）。4SCCB串口引脚SCCB_E,SIO_C,SIO_D（共3根）SCCB_E是SCCB总线的使能端，低电平有效。SIO_C是时钟信号输入端，SIO_D是数据输入/输出双向端口。SCCB总线的作用及使用方法将在下文中重点介绍。控制和复位引脚PWDN,FREX,EXPSTB,VGA,FSIN,RESET（共6根）。PWDN（7脚）：该引脚用于控制芯片的掉电模式（Power-downMode），为高电平有效。因为传感器中有一个内部下拉电阻，所以PWDN引脚的默认状态为低电平。O

6、V9121芯片要到的掉电或待机的目的有两种可行的方法：一、硬件方式。通过将PWDN脚置高电平来选择掉电模式。在此待机模式下，芯片内部设备时钟暂停且所有的内部计数器复位，实际电流小于10A。二、软件方式。通过将COMC寄存器的第四位置高也可以达到掉电的效果。采用软件掉电方式时，待机电流小于1mA，所有的寄存器内容保持不变。FREX（8脚）,EXPSTB（12脚）：帧曝光引脚，FREX是帧曝光模式使能引脚，EXPSTB作为传感器的曝光开始触发器。OV9121支持帧曝光模式，曝光模式必须在有外部快门的支持下工作。设置帧曝光模式的两种方法：一、同时控制FREX和EXPSTB引脚。将FREX和EXPST

7、B引脚上的电平同时拉高可将芯片设置为帧曝光模式。二、保持EXPSTB为低电平，只控制FREX。在这种情况下，传感器的曝光时间是从预充电结束到快门关闭这段时间。当外部主器件控制芯片，并设置FREX引脚为高，传感器阵列会迅速的预充电并保持在复位状态直到EXPSTB引脚被主器件拉低。在FREX引脚被拉低了之后，视频数据流在时钟控制下按逐行的次序在输出端口输出。只要是多帧传输模式，在完成一帧数据输出后，OV9121芯片会继续输出连续的动态视频数据。VGA:传感器分辨率选择。OV9121的默认分辨率为1280 x1024（SXGA）像素，所有的有源像元都被输出。但OV9121也可以选择输出640 x48

8、0（VGA）大小的图像，可以应用于对分辨率要求不高的图像捕获。该引脚上0:SXGA分辨率（1280 x1024），1：VGA分辨率（640 x480）。FSIN：帧同步输入。RESET（10脚）：复位引脚，高电平有效。由于传感器内部有一个下拉电阻，所以RESET引脚的默认状态是低电平。使传感器复位的两种方法：一、硬件复位。将RESET引脚置高并维持高电平状态在1ms以上。二、软件复位。将寄存器0 x12（COMH）中写入0 x80。如果采用软件复位法，则建议做两次复位操作以确保传感器状态稳定并准备访问寄存器。数字视频输出引脚D0D9（共10根）OV9121芯片有10位的数字视频端口，其最高位和

9、最低位可以通过修改控制寄存器来互换。根据输出的要求，连接方式可以有10位和8位连接方法。如下图所示：D前mult*七ifConnectionSw-apa-bicConnection图28-位连接方法Defiuit10-blftHiMct3n10-blftHuiGct3n图310-位连接方式参考信号输出引脚HREF,CHSYNC,VSYNC（共3根）HREF：水平参考输出。CHSYNC:当芯片作为主器件时输出水平同步信号。VSYNC:当芯片作为主器件时输出垂直同步信号。当0V9121作为从设备时，CHSYNC和VSYNC引脚改为输入信号，输入主器件提供的水平和垂直同步信号。主器件必须提供下列信号

10、：（1）系统时钟MCLK1,由XCLK1引脚输入（2）水平同步MHSYNC,由CHSYNC引脚输入（3）垂直帧同步MVSYNC，由VSYNC引脚输入8闲置引脚（共4根）2软件运行环境KeilCC语言是一种通用的计算机程序设计语言，在国际上十分流行，它既可以用来编写计算机的系统程序，也可以用来编写一般的程序。以往编写计算机系统语言主要使用汇编，单片机更是如此。但是，作为一种低级语言，汇编语言的程序具有很多不可忽视的缺点，包括程序的可读性和可移植性差，调试和排版困难。利用汇编语言编译的单片机应用程序还有周期长的缺点。因此，高级语言逐渐在这一领域中取代了汇编语言，从而解决或减小了上述的种种问题。C语

11、言由于本身既具有高级语言的特点，又可以直接对计算机的硬件进行操作，同时还有表达和运算能力较强的优点，所以成为了替代汇编的一种很好的选择。目前C语言已经可以解决很多以往只能靠汇编来解决的问题。KeilC是目前比较流行的单片机C语言调试和开发软件，由德国KeilSoftware公司开发，该公司多年来一直致力于单片机C语言编译器的研究，该软件已为当下单片机设计者所广泛采用。但是，KeilC和普通的C语言有一些区别，差异主要是KeilC可以让用户针对8051的结构进行程序设计，其它差异主要是由8051的一些局限引起的。KeilC支持符合ANSI标准的C程序设计，它完全支持C的标准指令和单片机优化C扩展

12、指令。特别地，针对8051单片机的自身特点它作了一些特殊扩展。KeilC生成的目标代码效率非常高，生成的语句编码紧凑，易理解，在开发单片机软件时，能充分发挥单片机的有限资源，所占用的存储空间非常小，体现其高级语言的优势。Keil公司目前已经推出了V7.0以上版本的Cx51编译器，为8051单片机软件开发提供了全新的C语言环境，同时保留的汇编代码高效快速的特点。Keil提供了包括项目（project）管理器、Cx51编译器、Ax51宏汇编、BL51/Lx51连接定位器、RTX51实时操作系统、Simulator软件模拟器以及Monitor51硬件目标调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环

13、境（Vision）将这些部份组合在一起。在这个单一而灵活的集成开发环境中，这些功能可以极为简单的被操作。1.3AT89C51单片机介绍及硬件电路连接单片机，即MicroControllerUnit（微控制器件），它是由INTEL公司发明的，最早的系列是MCS-48，后来有了MCS-51，现在还有MCS-96系列，我们经常说的51系列单片机就是MCS-51,它是一种8位的单片机，而MCS-96系列则是一种16位的单片机。后来INTEL公司把它的核心技术转让给了世界上很多的小公司，所以有许多公司生产51系列兼容单片机，比如飞利浦的87LPC系列，伟邦的W78L系列，达拉斯的DS87系列，现代的GS

14、M97系列等等，目前在我国比较流行的就是美国ATMEL公司的89C51，它是一种带FlashROM的单片机，也是本课题所使用到的单片机。89C51单片机的引脚及功能介绍如下:P1.D匸二P1dP1.2PIJCZP1.41=P1.5ZZZP1P6iP1.71=R5T/VPD二RXD/P3-0:DCD/P3.11=INT0/P3.2二ZIHT1/P3.3二T0/P3.+T1/P3.5UWR/PJ.e二ZR0/P17匚二XTAL2二XTAL1ZZZVSS10n89C511213141518_I36302B272423Lzi二VCCPO.OPO.1P0.2PO.3POP0.5PC.6PO.7&/VPP

15、ALE/PRDCPSENP2.7P2.6P2.5P2.4P2-3P22P2.1P2,0图4.单片机的封装引脚图VCC(40):电源+5V。VSS(20):接地，也就是GND。XTAL1(19)和XTAL2(18):振荡电路。单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTAL2上加外部时钟信号。在这里我们选用第一种方式。PSEN(29):片外ROM选通信号，低电平有效。ALE/PROG(30):地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。RST/V

16、PD(9):复位信号输入端/备用电源输入端。单片机上电后，只要在该引脚上输入24个振荡周期(2个机器周期)宽度以上的高电平就会使单片机复位;若在RST与VCC之间接一个10F的电容，而在RST与VSS之间接一个8.2kQ的下拉电阻，则可实现单片机上电自动复位。EA/VPP(31):内/外部ROM选择端。当EA输入高电平时，CPU执行程序,在低4K地址范围内，访问片内程序存储器；在程序计数器PC的值超过4K地址时，将自动转向执行片外程序存储器的程序。P0口（3932）:双向I/O口。Pl口（1-8）:准双向通用I/O口。P2口（21-28）:准双向I/O口。P3口（10-17）:多用途口。1.4

17、电平转换芯片SN74LVC4245A由于单片机的I/O口额定电平为+5V,而OV9121的I/O口为+3.3V,所以为了使硬件电路能够正常工作，我们必须考虑电平转换的问题。在这里选择使用SN74LVC4245A电平转换芯片。该芯片为3.3V到5V双向电平转换器，是八位（八进制）同向总线收发器,封装如下图所示:DB,DW,ORPWPACKAGE(TOPVIEW)(5V)VCCA1U24VCCB3V)dir223VCCB(3.3V)阳322OEA2421B1A3520B2A4619B3A5718B4A6817B5A7916B6A81015B7GNDTl14B8gnd1213GND图5.电平转换芯片

18、的封装引脚图芯片包含了两个单独的电源轨，A端加VCCA电源，置为+5V,B端加VCCB电源，置为+3.3V。这样可以完成+5V和+3.3V的双向转换。该芯片是为数据总线之间的异步通信专门设计的，由DIR（direction-control）方向控制引脚输入的逻辑电平来决定数据传输的方向是从A到B还是从B到A。输出使能端OE可以控制芯片电平转换功能的开启和关闭，如果关闭芯片功能，则芯片两边的总线可以有效地被隔离。功能表:输入端操作OEDIRLL由B到A转换LH由A到B转换HX两边隔离在本课题研究中，OE选择输入低电平，电平转换的方向可由软件编程控制。由于本课题中只需要对单片机的输出控制波形进行观

19、察，而CMOS芯片不需要上板实验。所以对DIR的方向控制在程序中并体现。但要实现这一功能并不困难,如果单片机在A端，OV9121在B端，需保持DIR在由单片机进行写入传输时为高电平，而每当传输方向改变时，DIR上的电平也同时改变。2程序设计本部分介绍CMOS驱动程序的设计，选用KeilC软件，使用C语言来实现。设计的主要思想是自顶向下。2.1整体系统框架在硬件设计中，应采用层次化，结构化的设计方法。一个完整的任务可以被划分为若干个可操作的模块，编制出相应的行为的或结构的模型，通过调试模拟仿真加以验证后，再把这些模块分配给下一层设计师。用这样的方式，可以达到团队合作完成一个项目的目的，即允许多个

20、设计师参与项目的开发，而每个人承担不同部分的任务。上级设计师可以对下级设计师的设计模块进行验证。在实际的开发中，为了提高设计质量并节省时间和费用，可以通过商业渠道得到其中的一部分模块设计，即购买它的知识产权的使用权。所谓自顶向下的设计思想，就是指该设计从系统级开始，把系统划分为若干个基本单元，而每个基本单元又可以向下划分为下一层的基本单元，直到可以直接使用基本元件来实现为止。这种设计方法的好处是方便从系统划分和管理整个项目，使得复杂设计成为可能。实际设计时，设计师也应该同时结合自底向上的设计方法。采用自顶向下的设计方法，首先，本系统可以被划分为两个主要功能：1.向CMOS寄存器写入数据。2.从

21、CMOS寄存器读出数据。要完成这两个功能，必须完成以下的模块：SCCB总线传输起始模块，SCCB总线传输停止模块，检查应答模块，产生应答模块，不产生应答模块。每个模块的具体功如下：SCCB总线传输起始模块：使单片机输出如图9所示的时序信号给CMOS芯片，作为数据开始传输的判断标准。SCCB总线传输停止模块：使单片机输出如图10的时序信号给CMOS芯片，作为数据停止传输的判断标准。检查应答模块：在每一相的前八位传输结束后，第九位由从器件(此时是0V9121)来决定。故单片机在这个时候检查SIO_D数据线上的逻辑电平，放入CY寄存器中。产生应答模块：SIO_D数据线上产生一个由低到高的跳变。用于单

22、片机从CMOS图像传感器芯片中读出数据时数据传输成功的应答。3.2.2程序主体介绍SCCB函数是本程序最重要的部分，完成根据三相数据传输的标准格式完成向OV9121的指定寄存器中写入或读出数据的功能。其中调用的功能子模块包括:SCCBstart(),提供起始信号。SCCBstop(),提供结束信号。SCCBreceiveByte(),数据接收。SCCBsendByte(),数据发送。SCCBRecAck(),检查应答。SCCBAck()，应答。Delay_1(time),延迟一定时间。SCCB函数有三个参数：ID-Address主机地址，Sub-Address从地址，以及hex,如果函数用于写

23、数据则表示待写入的数据，如果用于读数据则表示读出数据存放的位置。规定了OV9121在写数据时的ID-Address是0 x60，用于读数据时是0 x61。SCCB函数的主要构思是：先由单片机向OV9121发送主机地址，然后发送从地址，这样构成了一个两相写数据环。调用的函数是SCCBsendByte()。接下来对主机地址的第八位进行读写判断。如果是写，则依旧由单片机调用SCCBsendByte()函数向OV9121发送写数据，这样，这三次传输就构成了一个三相写数据环。而如果是读，则由单片机再一次向OV9121发送主机地址，然后调用SCCBreceiveByte()函数，通过SIO_D数据线由OV

24、9121向单片机写入数据，这两次传输构成了一个两相读数据环，而OV9121的寄存器地址是由上面的两相写数据环决定的。当然，在每次传输完成之后，都需要完成一次握手。如果传输是写，则在SCCBsendByte()函数之后需要调用SCCBRecAck()函数，对OV9121请求应答，并通过得到的应答来判断是传输成功继续进行下一步传输，还是发生错误结束程序。如果传输是读，则在传输结束后由单片机发送一个应答信号表示成功。由于本课题需要完成的任务是对CMOS进行配置，所以一般只需要用到三相写数据传输。该部分的程序流程图如下图所示：图6.写数据部分程序流程图在main函数中，可以直接调用SCCB函数，向OV

25、9121的指定寄存器中写入或读出数据。程序参加附录二。3.3硬件电路设计选择单片机的P1.0口作为SCCB_E,P1.6作为SIO_C,P1.7作为SIO_D。在单片机上电后，这三个口可以正常工作。在KeilC下运行代码，观察端口P1,P1.0表示SCCB_E,P1.6表示SIO_C,P1.7表示SIO_D,如图所示：S3ParaleiPert1-Fort1Fl:|0 x3Eins：)0 x3E7Bits0厂厂两两两两两厂厂两77两两厂P1.0口在程序运行时处于低电平状态，P1.6端口周期性的变化，P1.7端口按照输出数据做相应的变化。可见代码可以正常运行，可以用于配置CMOS芯片。用KEIL

26、C51或其他的单片机开发软件把源代码汇编成HEX文件；然后用编程器把汇编文件烧写入单片机中；再把单片机插入实验板中，可以看到软件的执行结果。附录附录引脚序号名称类型功能/描述01SVDD电源为像元阵列提供3.3V电压02VrHIGH模拟传感器咼参考一旁路到地使用一个0.1“F电容03NBIT模拟传感器位线参考一旁路到地使用一个0.1卩F电容04DEVDD电源为传感器阵列解码器提供3.3V的电源05DEGND电源传感器阵列解码器的地线06VrLOW模拟传感器低参考一旁路到地使用一个0.1pF电容07PWDN输入（0）a掉电模式使能，高有效08FREX输入（0）快照触发器，用来激活个快照序列09N

27、C无连接10RESET输入（0）芯片复位，咼有效11SCCB_E输入（0）SCCB接口使能，低有效12EXPSTB输入（0）快照曝光开始触发器0：传感器开始曝光只在快照模式中有效1：传感器保持在复位模式13VGA输入（0）传感器分辨率选择0：SXGA分辨率（1280 x1024）1：VGA分辨率（640 x480）14FSIN输入（0）帧同步输入15VcCHG模拟传感器参考一旁路到地使用个0.1pF电容16AVDD电源为模拟电路提供3.3V电源17AGND电源模拟电路的地线18ASUB电源模拟电路衬底的地线19ArAD2模拟A/D转换器参考一旁路到地使用个0.1F电容20ADVDD电源为A/D

28、转换器提供3.3V电源21ADGND电源A/D转换器的地线22DVDD电源为数字电路提供2.5V电源23DGND电源数字电路的地线24D0输出数字视频输出位025D1输出数字视频输出位126D2输出数字视频输出位227D3输出数字视频输出位328D4输出数字视频输出位429XCLK1输入时钟晶振输入30XCLK2输出时钟晶振输出31PCLK输出像素时钟输出32D5输出数字视频输出位533D6输出数字视频输出位634D7输出数字视频输出位735D8输出数字视频输出位836D9输出数字视频输出位937DOVDD电源为数字视频端口提供3.3V电源38DOGND电源数字视频端口的地线39HREF输出水

29、平参考车刖出40CHSYNC输出当芯片作为主器件时输出水平冋步信号41VSYNC输出当心片作为主器件时输出垂直冋步信号42NC无连接43NC无连接44NC无连接45SIO_DI/OSCCB串口数据I/O46SIO_C输入SCCB串口时钟输入47VcCHG模拟传感器参考一旁路到地使用个1“F电容48SGND电源像元阵列的地线a.输入（0）代表一个内部下拉低电阻附录二：程序代码#include#include#include/*全局符号定义*/#defineHIGH1#defineLOW0#defineucharunsignedchar#defineERRORCOUNT1sbitSCCB_E=P0

30、;sbitSIO_C=P6;sbitSIO_D=P7;/*/voidmain(void)bitSCCB(ucharID_Address,unsignedintsub_Address,ucharhex);uchara=0 x08,b=0 x23,c=0 xa0,d=0 x53,e=0 x4a,f=0 x83,g=0 x20,h=0 xf6,m;unsignedintID_Address=0 x61,sub_address=0 x0000;/SCCB(0 x60,0 x37,a);/单屏和多屏/SCCB(0 x60,0 x15,c);/水平场信号变换/SCCB(0 x60,0 x18,d);SCC

31、B(0 x60,0 x17,b);/水平窗口变成一行象素384个/SCCB(0 x60,0 x1A,e);/SCCB(0 x60,0 x10,f);/SCCB(0 x60,0 x19,g);行象素；/SCCB(0 x60,0 x13,h);SCCB(0 x61,0 x19,m);/暴光时间控制/垂直窗口调整288个/自动和手动暴光/*提供工作时序中的起始位*/voidSCCBstart(void)SIO_D=HIGH;SCCB_E=HIGH;SIO_C=HIGH;_nop_();/SIO_D的充电时间大于15nsSCCB_E=LOW;_nop_();/SCCB_E下降沿到SIO_D下降沿的时间

32、差不小于1.25us_nop_();SIO_D=LOW;_nop_();SIO_C=LOW;_nop_();/*提供工作时序中的停止位*/voidSCCBstop(void)SCCB_E=LOW;SIO_C=LOW;SIO_D=LOW;_nop_();SIO_C=HIGH;SIO_D=HIGH;_nop_();SCCB_E=HIGH;SIO_D=HIGH;_nop_();/*检查应答位*/*bit*/voidSCCBRecAck(void)SIO_C=LOWSIO_D=LOW;_nop_();SIO_C=HIGH;CY=SIO_D;_nop_();SIO_C=LOW;_nop_();/因为返回值总是放在CY中的/return(CY);/*对SCCB总线产生应答*/voidSCCBAck(void)SIO_D=0;SIO_C=1;_nop_();_nop_();SIO_C=0;_nop_();SIO_D=1;/*向SCCB总线写数据*/voidSCCBsendByte(ucharsendbyte)uchardataj=8;for(;j0;j-)SIO_C=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sendbyte=1;/CY二sendbyte“7;SIO_D=CY;SIO_C=1;_nop_();_nop_();_nop_();/