基于协处理器和CMOS传感器的数码相机方案

什么是CMOS数码相机?对于最终用户而言，采用CMOS技术的数码相机与传统相机没有太大不同。大多数拍照操作方法以及在取景器内给被拍对象安排正确位置的方法都完全相同。那么不同之处在哪里?传统相机需要使用一个35毫米的胶片来曝光和存储图像，而数码相机的曝光采用CMOS传感器，存储照片使用内置的闪存或可移动存储卡。但这并不是全部，更复杂的问题来自于处理过程。CMOS传感器由一个光电二极管阵列组成，当拍完一张照片时，CMOS传感器曝光，然后读取图像数据。这个信息被发送到一个协处理器或者后端控制器。协处理器负责所有处理过程，直到最后图像被压缩并保存在任何一种存储器中。虽然协处理器能够处理所有的问题，但我们应看到传感器和镜头在成像过程中是非常重要的。即使协处理器具有非常复杂的图像处理能力，如果图像数据失真严重，那么就不可能再完全修复。尽管成像过程很复杂，但还是有简单的解决方案。

在解决这些复杂问题方面，意法半导体具有很丰富的经验。STv0684协处理器和VC6700(200万像素)CMOS传感器是支持200万像素甚至更高分辨的解决方案之一。对用户而言，我们提供的工具不仅是一套芯片组，而且还是一个交钥匙解决方案。我们将提供电路原理图、BOM清单、固件、驱动器、生产工具以及支持和建议。

现在，让我们来看一下产品特性和优点。VC6700 CMOS传感器采用四晶体管(4T)配置和H8i(0.18μm)制造工艺。这意味着该传感器的每个像素有4个晶体管，这在低光条件下特别有优势，而普通CMOS传感器的最大困难就在于低光环境的成像效果差。借助这项技术，ST的CMOS传感器能达到十分接近CCD的低光性能。众所周知，CMOS与CCD相比具有其它优点：采用单电源供电因而功耗低;逻辑电路可以被集成到同一芯片上，从而减少外围无源器件的数量。此外，VC6700已经被构建在3.3V 和 1.8V线性稳压器中，当使用USB或充电电池供电时，这些线性稳压器可与外部功率晶体管一道调节其余电路的功率。

我们还内置了一个用于录音的音频前置放大器，它使音频电路变得非常简单，只需连接麦克风即可。我们传感器的主要特性之一是具有48MHz 或 4,800万像素/秒的读取速度，从而有可能实现25 fps(帧/秒)的视频传输速率。这个特性允许我们在使用该解决方案时可以不用机械快门叶片。与此同时，它要求协处理器也必须能处理这个速率的数据，否则会导致图片失真，如图像分片。当数据读取速率过慢时就会发生图像分片现象。这时映入眼帘是快速运动的对象，因为传感器的读取顺序是按照滚动快门的原则从上到下逐线读取的。

图1说明了STv0684的特性，这个器件是系统的核心，负责控制所有处理过程和系统。

对比STv0684与其它同类元器件，我们发现有很多不同之处，特别是在视频管道方面。我们在同一个系统内有两个独立的处理器，这可以从根本上提高整体性能。VP(视频处理器)是由一个硬件模块和一个类似控制器的高速8051组成。这种设计与其它解决方案相比更有优势。控制器和硬件模块的工作与系统保持独立，所以，主控制器(本例中是ST20)将不必处理与图像质量有关的功能，如AE(自动曝光)、AWB(自动白平衡)、颜色处理和图像虑波等。这些高强度的计算和运算任务被均衡地分配给各种固件，而与速度相关的操作由硬件模块来执行。为了使图像质量在恶劣的环境中更加可靠，我们的视频处理器增加了重新计算镜头明暗的防虚光功能、降低固定模式噪声(FPN)的功能(用于消除不期望看到的垂线)、无需在生产线上进行任何特殊设置的故障像素纠错功能和先进的统计学处理器。视频处理器固件可以根据主内核的通用固件随时更改。主内核是一个经过验证的ST20 32位 RISC嵌入式控制器，该器件还被用于ST其它众多多媒体解决方案之中。该内核的工作频率为48MHz，能够为系统提供强大的动力和灵活性。ST20的特殊地之处在于它的嵌入式实时操作系统OS20，该RTOS可进一步提高系统的稳定性和灵活性。STv0684首先将从引导ROM存储器开始启动，之后为代码存储提供几种可行方案。一个方案是代码可以存储在小封装尺寸的SPI闪存内，或者如果有NAND闪存也可以从NAND闪存引导。在这种情况下，就不再需要外部NOR闪存，从而为产品节省了宝贵的PCB板空间。然后，代码被载入SDRAM内存，以便处理器执行。对于这个特性，我们内建了DMA驱动的NAND闪存、SPI和SDRAM控制器。

数码相机和摄像机所需芯片的工作特性如下：

对于便携设备来说，最重要的是具备高级电源管理功能，以延长电池工作时间。它允许关闭系统各级不必要的硬件模块的电源，当不需要高性能时，它还可以降低CPU的频率。在系统工作状态下，这种设计可以将功耗进一步降低到6Ma。当然，芯片还要支持待机和USB等其它必要功能。

内置USB1.1接口，用于下载图片和PC-相机连接功能。照相机将支持三种USB模式：一种是MSCD(海量存储级设备)，它不需要PC机安装驱动程序， Win98SE预置了我们提供的支持驱动程序。对于PC-相机连接功能，我们提供两个选择方法，一种是我们专有的兼容视频类的驱动程序，我们的驱动程序所支持的操作系统无需安装驱动程序。

内置TFT控制器，以直接支持无控制器的显示器模块。该控制器必须足够灵活，以便支持不同厂商、不同类型的浏览器，并支持高达1024 x 1024的分辨率。

内置PAL或NTSC制式的电视输出。它可以通过软件更改输出，而且任何分辨率的图像都可以被缩放成正确的格式。

内置音频编解码器，以录制和播放WAV压缩文件。音频的压缩比可以高达4:1。

内置针对可移动媒体存储器的接口，如CF、SD、MMC、SMC以及可能的微驱动器。

最后，节省存储器空间的另一种方法是压缩图片和短片，因此我们内置了一个压缩引擎。这个压缩引擎(VC)支持高达100:1的JPEG压缩比率，而在实际应用中，35:1的压缩比已经可以接受。这也是我们的系统优于其它解决方案的一个重要特性，因为其它解决方案的压缩比连要求的一半都很难达到，所以，客户被迫购买更大容量的存储器。此外，这个压缩引擎能够编码和解码真正的交叉存取AVI文件，该文件是许多平台的一种标准，包括PDA(个人数字助理)、PVR(便携录像机)、PMP(个人媒体播放器)和PC。

当然，我们利用这个芯片的机会很多，因为这款芯片具有远高于数码相机设计所需的灵活性。在消费电子市场，我们将看到越来越多的产品在一个设备上集成多种功能，如名为PMP的手持产品可以播放MP3、收听FM频道、存储图片和电影、交换数据、播放电影和其它媒体。这个市场呈现出一种繁荣景象，所以，我们会进一步利用这个芯片组开发解决方案。随着我们传感器的分辨率提高到300万像素及以上，我们仍相信市场主流将介于200万到400万像素之间，因为图片打印店打印的5" x 7.5"大小的正常照片只需要200万像素。如果我们提高传感器的分辨率，这对于图像质量没有任何意义。更高的分辨率只有在我们打印大尺寸图片或放大某一特定的区域时才会起到改进图像质量的作用。

现在，人们越来越多地谈论MPEG4，我们也正计划在下一代芯片中集成这个功能。我们目前在市场上见到的其它解决方案支持诸如MPEG4(low profile)标准，但通过更详细的分析，人们发现它只是强调打包，而事实上，压缩的MPEG4(low profile) 文件比压缩的标准AVI文件还要大。因此，我们相信ST增强压缩比的AVI文件是一种影片质量更加优异的解决方案，因为它采用QVGA格式时可支持30fps的传输速率。至于专利费，每家设备制造商都必须考虑为一种价值还不如免费技术的压缩方案支付金钱是否有意义。

现在回到CMOS技术的话题。CMOS技术正在稳定发展，我们相信这项技术是很有前景的，因为CMOS传感器灵活性更高，操作更容易，成本更低。例如，在移动成像市场上，我们看到它已经占据一定市场份额，因此，我们将在未来的数码相机或数字摄像机中看到同样的结果。因为像素尺寸进一步缩小，质量越来越高，我们相信这是未来的趋势。但值得注意的是，如果我们把CMOS技术产品与高档产品对比，我们必须针对CMOS技术使用质量更高的镜头，甚至配备自动聚焦和自动变焦器件。由于我们正在着手为客户解决这个问题，使用CMOS技术与使用其它技术之间的差异迟早会被消除。