专利名称：一种新型cmos图像传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及微电子学的集成电路设计技术领域，尤其涉及一种新型CMOS图像传感器。
背景技术：
通用CM0S (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor ， 中文互补 从属氧化物半导体)图像传感器能够实现低成本的成像设备。CMOS图像传感器一个主要优 点是可以将外设功能集成进来，以组成一种单个芯片的CMOS图像传感器。通常情况下，由通用CMOS图像传感器获取的图像常常需要通过数据线传输到计算机 上，最普及的就是通过通用串行总线USB (Universal Serial Bus)电缆传输到计算机上。 USB凭借其速度上的优势和良好的通用性等优点得到了广大使用者的认可，已成为PC机的一 种标准接口。但是由于USB能够用简便有效的方法与多种类型的外设通信，导致了USB接口 设计和编程的复杂性。目前实现通用CMOS图像传感器与计算机间的USB传输，常见的做法有两种一、 将通用CMOS图像传感器外接一个USB接口芯片来实现与计算机间的传输；二、 将通用CMOS图像传感器外接一个带有USB接口的DSP芯片来实现与计算机间的传输。两种方法都增加了用户的开发成本，所述的第一种方法还增加了用户的开发难度。 实用新型内容鉴于上述现有技术所存在的问题，本实用新型的目的是提供一种新型CMOS图像传感 器，集成USB收、发控制功能，能够直接实现与计算机间的USB传输，而不需外接USB接口控 制芯片，即节省了用户的开发成本，又减轻了开发USB设备的难度，使得用户可以很方便的 将图像传感器获取的数据通过USB电缆发送到计算机上。本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的---种新型CMOS图像传感器，所述的新型CMOS图像传感器在通用CMOS图像传感器上集成 了通用串行总线USB模块，所述的USB模块通过内部总线与通用CMOS图像传感器连接并进行 通用CMOS图像传感器的图像的传输。所述的USB模块包括USB接口控制器、USB物理层与USB设备控制器，USB接口控制器与通用CMOS图像传感器、USB物理层与USB设备控制器连接，检测内部 总线上的事件，进行与通用CMOS图像传感器、USB物理层和/或USB设备控制器间的协议处 理；USB物理层与USB接口控制器连接，实现数字、模拟信号之间的转换； USB设备控制器与USB接口控制器连接，实现请求处理、事务传输控制和数据包的交换。所述的USB接口控制器包括USB协议控制器、可配置RAM与寄存器组， USB协议控制器连接可配置RAM与寄存器组，实现USB的协议层，进行与通用CMOS图像传感器、USB物理层和/或USB设备控制器间的协议处理；可配置RAM连接USB协议控制器与寄存器组，为传输端点分配指定大小的缓冲区； 寄存器组连接USB协议控制器与可配置RAM，用于实现对传输的控制和请求的处理。 所述的寄存器组包括主控制寄存器、USB控制寄存器、控制端点寄存器、非控制端点寄存器和/或直接存储器访问DMA寄存器，各寄存器间独立设置，主控制寄存器控制中断使能，并保存中断状态；USB控制寄存器控制与USB主机相关的各种事件，并保存相应事件的状态；控制端点寄存器处理来自主机的USB请求，并保存传输中的状态信息；非控制端点寄存器配置、控制和扩展非控制端点的操作； 直接存储器访问DMA寄存器处理DMA相关的操作。所述的USB物理层包括全速传输的发送/接收模块、高速传输的发送/接收模块、发送控 制逻辑模块、接收控制逻辑模块、全速/高速传输切换控制模块与时钟模块，全速传输的发送/接收模块连接发送控制逻辑模块与全速/高速传输切换控制模块，用 于全速发送与接收图像数据；高速传输的发送/接收模块连接发送控制逻辑模块与全速/高速传输切换控制模块，用 于高速发送与接收图像数据；发送控制逻辑模块连接全速传输的发送/接收模块、高速传输的发送/接收模块与时钟 模块，用于实现接收数据包的协议处理；接收控制逻辑模块连接全速/高速传输切换控制模块与时钟模块，用于按照USB协议将 获取的数据包还原；全速/高速传输切换控制模块连接全速传输的发送/接收模块、高速传输的发送/接收模 块与接收控制逻辑模块，在全速传输状态与高速传输状态间切换；时钟模块连接发送控制逻辑模块与接收控制逻辑模块，为发送控制逻辑模块与接收控 制逻辑模块提供控制时钟。所述的USB设备控制器用 一个有限状态机来完成请求处理和传输控制。由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型提出一种新型CMOS图像传感 器，其核心是在通用CMOS图像传感器的基础上集成了通用串行总线USB模块。利用型CM0S图 像传感器内部总线将CMOS图像传感器获取的图像数字化后送到USB模块；然后，在USB设备 控制器的控制下USB模块将图像数据打包成符合USB规范的数据。最后按照传输要求，USB模 块将打包好的数据通过USB物理层发送到USB电缆上，最终传输到计算机。另外计算机还可 以通过USB模块设置通用CMOS图像传感器的内部寄存器，改变传感器的工作方式。本实用新 型简化USB的开发难度和成本，将USB收、发控制功能集成到图像传感器上；将传输控制， 请求处理功能用一个设备控制器模块来实现，避免了传统USB设备MCU固件编程的工作；同 时，还提供了相应的软件。因此，本实用新型的实现可以使得一个单芯片的新型CMOS图像 传感器就能实现USB传输。而不需外接USB接口控制芯片，即节省了用户的开发成本，又减 轻了开发USB设备的难度，使得用户可以很方便的将图像传感器获取的数据通过USB电缆发 送到计算机上。
图l为本实用新型所述的新型CMOS图像传感器结构示意图； 图2为通用CM0S图像传感器的内部结构框图；图3为本实用新型所述的新型CM0S图像传感器的USB接口控制器内部结构示意图；图4为本实用新型所述的新型CM0S图像传感器的USB物理层的内部结构示意图；图5为本实用新型所述的新型CM0S图像传感器USB设备控制器的实现控制的流程图；图6为本实用新型所述的新型CM0S图像传感器配套计算机设备的结构框图，图7为本实用新型所述的新型CM0S图像传感器配套驱动程序的结构框图。
具体实施方式
本实用新型提出一种新型CMOS图像传感器，在通用CMOS图像传感器上集成了通用串行 总线USB模块。该通用串行总线USB模块主要由三部分实现USB物理层、USB接口控制器和 USB设备控制器。USB物理层由模拟和数字两部分组成。USB物理层模拟部分将主机发送过来 的差分信号经过差分接收器输出数字信号；将设备要发送的数字信号经过差分驱动器输出 差分信号，实现数字、模拟信号之间的转换。USB物理层数字部分负责检测或生成SOF (Start of Frame) , E0P (End of Package);时钟和数据的分离与提取;NRZI (反转不归 零)编码、解码；填充位的插入和删除；填充位和EOP错误检测。USB接口控制器实现了USB 协议的处理，由协议控制器、可配置RAM和寄存器组构成。协议控制器参照USB2.0的规范来 实现。寄存器组由主控制寄存器、USB控制寄存器、控制端点寄存器、非控制端点寄存器和 DMA寄存器组成。USB设备控制器用一个有限状态机实现，处理来自主机的各种请求，并实 现对传输的各种控制。DMA控制器使得USB模块可以快速获取CMOS图像传感器内部RAM中的图 像数据。本实用新型的其核心是在通用CMOS图像传感器的基础上集成了通用串行总线USB模块。 如图1所示，在通用CMOS图像传感器的基础上集成了USB收、发控制功能，能够直接实现与 计算机间的USB传输，而不需外接USB接口控制芯片，即节省了用户的开发成本，又减轻了 开发USB设备的难度，使得用户可以很方便的将图像传感器获取的数据通过USB电缆发送到 计算机上。所述的USB模块通过串行总线控制通用CMOS图像传感器的图像的传输。图2是通用CM0S图像传感器的内部结构框图，通用CMOS图像传感器主要由像素阵列、数 字控制和ISP (图像信号处理)等模块组成。其中，数字控制主要用于控制图像传感器的工 作方式。ISP负责完成对图像数据的处理。通用CMOS图像传感器负责采集图像，并将图像数 字化后通过内部总线发送到USB接口控制器。该传感器集成了自动/可编程白平衡、自动/可 编程曝光控制、自动/可编程增益控制、可编程黑电平补偿、可编程显示窗大小以及下采样 等各种功能。所述的USB模块包括USB接口控制器、USB物理层与USB设备控制器，通用CMOS图像传 感器通过内部总线向所述USB模块提供输入信号；所述USB模块在所述USB设备控制器的控制 下对所述输出信号按照USB协议规定进行处理，然后发送到所述USB物理层，最后通过USB 电缆传输到计算机上。其中USB接口控制器是实现USB传输的核心器件，负责完成协议数据翻译和总线上事件检 测。USB数据以包为单位在总线上传输，需要识别数据包开始、结束标志。数据校验采用 CRC (循环冗余校验)方法，在接收或发送数据时需要进行相应的CRC校验。USB协议中规定
一个USB设备应具有如下几个状态连接、上电、缺省、地址分配、配置完成和挂起。在各 个状态之间的转换是由总线上事件检测功能来完成的。根据USB总线上D+和D-信号线电平的 不同，总线共有4种状态:J状态、K状态、SEO状态和SEI状态。各种状态持续时间的长短确 定了总线上诸如复位信号、挂起通知和唤醒等总线事件。因此，对于USB总线事件需要进行 检测与确定，完成在各状态之间正确转换。USB接口控制器主要用于检测串行总线上的事 件，进行与通用CMOS图像传感器、USB物理层和/或USB设备控制器间的协议处理，完成各状 态间的转换；USB接口控制器内部框图如图3所示包括USB协议控制器、可配置RAM与寄存 器组，其中USB协议控制器用于实现USB的协议层，进行与通用CMOS图像传感器、USB物理层和/ 或USB设备控制器间的协议处理；可配置RAM:用于为传输端点分配指定大小的缓冲区；寄存器组用于实现对传输的控制和请求的处理。所述的寄存器组包括主控制寄存器、USB控制寄存器、控制端点寄存器、非控制端点寄存器与DMA (Direct Memory Access,直接存储器访问)寄存器，其中主控制寄存器控制中断使能，并保存中断状态；USB控制寄存器控制与USB主机相关的各种事件，并保存相应事件的状态； 控制端点寄存器处理来自主机的USB请求，并保存传输中的状态信息； 非控制端点寄存器配置、控制和扩展非控制端点的操作；DMA寄存器处理DMA相关的操作。USB物理层负责将USB总线上的差分信号转换成数字信号，并进行相关的数据格式转 换。USB数据传输采用NRZI (不归零反转)编码，并有比特位填充，所以在发送或接收串行 数据时需要进行编码与解码。数据在控制器内传输时以字节为单位，因此还需要进行串并 转换。USB物理层完全符合USB Spec Rev2. 0和UTMI Spec Revl. 05。图4是USB物理层的内部 结构框图。用于将USB总线上的差分信号转换成数字信号，并进行数据格式转换；所述的 USB物理层包括全速传输的发送/接收模块、高速传输的发送/接收模块、发送控制逻辑模 块、接收控制逻辑模块、全速/高速传输切换控制模块与时钟模块，其中全速传输的发送/接收模块用于全速发送与接收图像数据； 高速传输的发送/接收模块用于高速发送与接收图像数据； 发送控制逻辑模块用于实现接收数据包的协议处理； 接收控制逻辑模块用于按照USB协议将获取的数据包还原； 全速/高速传输切换控制模块在全速传输状态与高速传输状态间切换； 时钟模块为发送控制逻辑模块与接收控制逻辑模块提供控制时钟。USB设备控制器负责完成请求处理、事务传输控制和数据包的交换。传统的USB控制器芯片需要一个MCU来协助它完成请求处理和事务传输控制。而在本实用新型中，这些都完 全由硬件实现，即用一个有限状态机来完成请求处理和传输控制。图5是实现USB设备控制 器的流程图。设备控制器循环检测与中断相关的寄存器状态， 一旦发现有中断发生，就会读取相应 的寄存器内容，然后根据这些寄存器的内容来判断USB总线上发生中断的类型。如果是总线 复位中断，设备控制器就会复位USB总线；如果是控制输入中断，设备控制器将主机请求的 数据送到控制端点的缓冲区中；如果是控制输出中断，设备控制器获取主机发送到控制端 点缓冲区中的数据，并解析这些数据，产生一系列的控制信号；如果是非控制端点中断， 设备控制器根据该端点的配置信息，进行相应处理；如果中断类型未知，则进行出错处 理。如图6所示本实用新型所述新型CMOS图像传感器可通过计算机配套的驱动程序和应用 程序将接收数据压縮成标准的Windows流媒体格式，使得Windows自带的媒体播放器能够直 接播放来自图像传感器的实时图像。与所述新型CMOS图像传感器配套的驱动程序可以将接 收到的数据压縮成标准Windows流媒体格式，也可以压縮成JPEG格式。主机软件提供了访问 和设置所述CMOS图像传感器内部寄存器的接口应用程序提供了设置和访问所述图像传感器内部寄存器的接口。图7是驱动程序的结构 框图。以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式
，但本实用新型的保护范围并不局限 于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变 化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以 权利要求的保护范围为准。
权利要求1、一种新型CMOS图像传感器，其特征在于，所述的新型CMOS图像传感器在通用CMOS图像传感器上集成了通用串行总线USB模块，所述的USB模块通过内部总线与通用CMOS图像传感器连接并进行通用CMOS图像传感器的图像的传输。
2、 根据权利要求书1所述的一种新型CM0S图像传感器，其特征在于，所述的LJSB模块 包括USB接口控制器、USB物理层与USB设备控制器，USB接口控制器与通用CMOS图像传感器、USB物理层与USB设备控制器连接。
3、 根据权利要求书2所述的一种新型CM0S图像传感器，其特征在于，所述的USB接口控 制器包括USB协议控制器、可配置RAM与寄存器组，USB协议控制器连接可配置RAM与寄存器组，可配置RAM连接USB协议控制器与寄存器组。
4、 根据权利要求书3所述的一种新型CM0S图像传感器，其特征在于，所述的寄存器组 包括主控制寄存器、USB控制寄存器、控制端点寄存器、非控制端点寄存器和/或直接存储 器访问DMA寄存器，各寄存器间独立设置。
5、 根据权利要求书2所述的一种新型CM0S图像传感器，其特征在于，所述的USB物理层 包括全速传输的发送/接收模块、高速传输的发送/接收模块、发送控制逻辑模块、接收控 制逻辑模块、全速/高速传输切换控制模块与时钟模块，全速传输的发送/接收模块与高速传输的发送/接收模块分别连接发送控制逻辑模块与 全速/高速传输切换控制模块；发送控制逻辑模块还连接全时钟模块；接收控制逻辑模块连 接全速/高速传输切换控制模块与时钟模块。
6、 根据权利要求书2所述的一种新型CM0S图像传感器，其特征在于，所述的USB设备控 制器用 一个有限状态机来完成请求处理和传输控制。
专利摘要本实用新型提出一种新型CMOS图像传感器，其核心是在通用CMOS图像传感器的基础上集成了通用串行总线USB模块。利用型CMOS图像传感器内部总线将CMOS图像传感器获取的图像数字化后送到USB模块；然后，在USB设备控制器的控制下USB模块将图像数据打包成符合USB规范的数据。最后按照传输要求，USB模块将打包好的数据通过USB物理层发送到USB电缆上，最终传输到计算机。本实用新型可以实现一个单芯片的新型CMOS图像传感器就能完成USB传输。而不需外接USB接口控制芯片，即节省了用户的开发成本，又减轻了开发USB设备的难度，使得用户可以很方便的将图像传感器获取的数据通过USB电缆发送到计算机上。
文档编号H04N5/335GK201044474SQ200720149160
公开日2008年4月2日 申请日期2007年5月16日 优先权日2007年5月16日
发明者刘志碧, 杰 程, 袁红星 申请人:北京思比科微电子技术有限公司