黄全平， 周荣政， 席占国， 张原， 洪志良( 上海复旦大学微电子系，上海 200433)

    摘要：详细阐述了一种用于百万像素数码相机的CMOS图像传感器接口电路设计及其 VLSI 实现：文章按照数码相机的功能要求进行整体设计，由上而下讨论了各个子模块的设计，并给出了电路的 FPGA 验证：本设计作为数码相机专用芯片的一部分用 0.6μ m工艺实现。

　　关键词： CMOS 图像传感器： I2C 总线；数码相机；降采样

　　1 引言

　　数码相机等图像消费类电子产品产业正在飞速发展，这使得图像传感器和数码相机专用集成芯片的研制获得巨大的市场支持。目前广泛使用的数码相机图像传感器主要是以下两种:CCD和CMOS。CCD 图像传感器具有技术成熟、图像噪声小等优点，但由于制作工艺复杂，与标准工艺不兼容，且需要高电压供电，芯片功耗大，目前仅在高级型数码相机市场上占有一席之地。而 CMOS 图像传感器采用了 CMOS 工艺，可以将图像采集单元和信号处理单元集成到同一块芯片上，因而具有集成度高、功耗低、价格便宜的优点，具有很好的发展前景。随着噪声消除技术的改进，目前 CMOS 图像传感器正由中、低档数码相机向高级型数码相机发展。

　　现在的 CMOS 图像传感器芯片大都把 I2C 总线的一个子集作为控制接口(如Motorola 公司的MCM20027,Omnivision 公司的OV9620等), 因而用户可以很方便地对芯片进行编程操作。与其他串行总线相比， I2C 总线以两根连线实现了全双工同步数据传送，可以极方便地构成多机系统，并进行扩展，适用于消费电子、通信电子、工业电子等领域的低速器件。 I2C 总线由双向数据线 SDA 和时钟线 SCL 组成川，用户使用集电极开路门以“线与”方式进行总线连接。图 1 为 I2C 总线的通信协议示意图，包括开始信号、结束信号、应答信号和数据有效等状态。当 SCL 持续为高电平时， SDA 由‘ 1 '跳变到‘ 0 '，表示开始信号； 当 SCL持续为高电平时， SDA 由‘ 0 '跳变到 ‘ l '，表示结束信号：在数据传输过程中， SDA 在时钟高电平时有效，低电平时更换数据。开始和结束信号均由主 I2C 产生，通过 SDA 传输的数据以字节 (8 — bit 为单位，高位在前，低位在后，在每个字节后面由接收端发送一个低电平的应答信号。

    本文设计了一种基于 I2C 控制总线的 CMOS 图像传感器接口电路，能够有效控制 CMOS 图像传感器的指令，产生数码相机专用集成电路其他模块的同步时序，在 MCU 的控制下完成取景和拍照操作，并支持多种规格的 CMOS 图像传感器和液晶显示器。

　　2 顶层设计

　　根据所设计的数码相机专用集成电路芯片的系统要求 [2],CMOS 图像传感器接口用来控制最高达 400 万像素多种规格的 CMOS 图像传感器，并且在 MCU 的控制下，能控制传感器芯片的自动／手动曝光和自动／手动白平衡及其他芯片支持的功能。该接口电路能够在取景和拍照两种模式下工作，在取景模式下，实现可编程的降采样处理，能够输出以 4 的倍数为基准的任意分辨率的图像，并接受多种规格的液晶显示器，取景速度达到 30 帧／s。

　　根据上述功能要求将 CMOS 图像传感器接口划分为三个模块：主 I2C 总线接口模块、寄存器文件接口和可编程降采样模块，其总体框图和输入输出端口线如图 2 所示。端口线主要有：①和 MCU 接口的连接，包括 MCU_AB( 地址总线 ) ， MCU_DB( 数据总线 ) ， MCU_nWR( 写使能 ) ， MCU_nRD( 读位能 ) ， MCU — nCS(MCU 操作选中信号 ) 和 MCU nINT( 中断信号 ) ②和 CMOS 图像传感器的连接，包括来自 CMOS 图像传感器的帧同步 (VC L K) 、行同步 (H C L K) 、像素同步 (PCLK) 、数据 ADC(10 位 CMOS 输出的数值 ) ，以及 I2C 总线的 SDA ， SCL ， SCCB_E 等：③和数码相机专用集成电路芯片的其他子模块相连，如 VSYNC( 帧同步 ) 、 HSYNC( 行同步 ) 、 PSYNC( 像素同步 ) 、 ADCOUT( 输出图像数据 )。

    3 模块设计

　　3.1寄存器文件模块

　　寄存器文件模块包括一个中断状态机和 MCU 接口。中断状态机用以控制主 I2C 总线模块，降采样处理模块和 MCU 接口的协调工作，它主要包括 5 个状态：

INT_DECIDE ， INT_I2C_READ ， INT _MCU_READ,INT_I2C_WRITE 和 INT_CLEAR 。状态机缺省状态为 INT_DECIDE 判决状态， 表示状态机处于等待状态：

INT_I2C_READ 表示 I2C, 总线正在从 CM