基于FPGA的图像采集模块的设计

1 引言
    图像采集是图像处理的前提。图像采集卡是常用的图像输入设备，通常占用PC机总线的一个插槽。它主要包括图像存储器单元、CCD或CMOS摄像头接口、PC机总线接口等。传统的图像采集卡大多数采用PCI接口，这种图像采集卡适用于将模拟信号经A／D转换器转换成数字信号，或本身就是数字信号，再通过PCI接口传输至PC机，进行图像处理。但使用嵌入式系统实现图像采集和处理时，带有PCI接口的图像采集卡就不适用。为此，这里提出一种适用于嵌入式系统的数字图像采集模块设计方案，实现图像数据采集、“乒乓”模式图像数据的缓存、图像数据的采集模块外部接口，并保证图像采集的高速性和连续性。

2 图像采集系统设计
    图l为图像采集系统框图。该系统包括OV7620图像数据采集板、FPGA的图像数据接收缓存板、两片SRAM构成的高速缓存以及系统外部接口。OV7620图像数据采集板主要完成图像数据采集，其图像数据总线、帧图像数据时钟、帧同步信号、行同步信号与FPGA图像数据接收缓存板相连，FPGA协调两片SRAM“乒乓模式”的读写操作，并完成模块的外部接口。

2．1 OV7620图像数据采集板
    数字图像采集模块的核心是图像传感器。OV7620内置640x480的图像阵列，每秒可输出30帧以上的图像；并集成有诸如曝光控制、伽马、增益、白色控制、彩色矩阵、彩色饱和度、色彩控制、窗口等照相功能。该器件能够通过串行SCCB接口编程，通过编程实现8位和16位格式的输出。
2．1．1 OV7620电路设计
    该系统设计采用OV7620的电路如图2所示。其中，SBB引脚接跳线，用于设置OV7620在复位时读取引脚状态或I2C方式配置；UV2引脚接上拉电阻，选择0V7620为QVGA工作状态(320x240)；Y3引脚接上拉电阻，选择OV7620为RGB数据格式输出：Y1引脚接上拉电阻，选择OV7620位逐行扫描模式；PWDN引脚接地，OV7620不能工作在睡眠模式；UV0~UV7，Y0～Y7，XCLKl，HSYNC，VSYNC，PCLK，HREF，FODD，FREX接26针的插座，与FPGA相连，由FPGA输出时钟和控制信号控制0V7620。在PCB设计时，应将模拟电源和数字电源、模拟地和数字地分开。电源的输入引脚接O．1μF的去耦电容和47μF的防止电源“浪涌”的电容。模拟地和数字地分开布线，最后在一点接地。晶体振荡器应尽可能靠近器件放置，使其起振效果达到最佳。

2．1．2 OV7620模块与FPGA板的连接
    图3为0V7620模块与FPGA板的接口电路，其中3．3 V和GND是由FPGA板供电接口，UV0～UV7及Y0～Y7是图像数据的输出总线，VSYNC是图像帧同步信号，HREF是图像的行同步信号，PCLK是图像数据时钟在时钟的上升沿，图像数据发生跳变。

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2．1.3 MSP430F1121组成I2C配置电路
    设计中采用MSP430Fll2l单片机配置OV7620，单片机通过JTAG接口下载程序，接入32．768 kHz的低速晶体振荡器，供单片机使用。单片机的P1．1，P1．0端口分别作为I2C总线的SCLK，SDA引脚，各接10 kΩ电阻上拉到3.3 V，增强了总线的驱动能力。单片机内部程序实现P1．1和P1．0组成的I2C总线。
2．1．4 OV7620主设备工作模式
    OV7620有主设备和从设备两种工作模式。该系统设计选用主设备工作模式。在主设备工作模式时，0V7620可提供以下信号：水平行同步信号Hsync，即CHSYNC引脚(输出状态)，高电平有效；垂直场同步信号Vsync，即VSYNC引脚(输出状态)，高电平有效；图像数据信号，由UV7~UV0和Y7~Y0输出。图像数据同步时钟信号Pclk，即PCLK引脚。通过这些信号，系统可采用FPGA接收OV7620的数据，正确采集每一帧图像数据，为后续数据存储和处理奠定基础。
2．2 FPGA的图像数据接收缓存板 
2．2．1 图像缓存方案
    采用高速SRAM切换模式，即“乒乓模式”。高速SRAM只有一个数据、地址和控制总线，可通过三态缓冲门分别接图像传感器和嵌入式系统。当图像传感器输出数据时，SRAM由三态门切换至图像传感器一侧，以使图像数据写入。当图像传感器输出数据结束后，SRAM再由三态门切换到嵌入式系统一侧以便嵌入式系统读写。在切换过程中，还应保证帧图像数据的完整性。这种方式的优点是SRAM可随机存取，同时易于得到较大容量的高速SRAM且价格适中。
2．2．2 FPGA板模块电路
    图4为电源部分的设计电路。其中，FPGA板接9 V直流电源的输入，经7805后，9 V的电压转换为5 V，经电容平滑滤波后，5 V的电压输人给1117—3．3，得到3．3 V电压。电源工作指示灯VD2指示电源是否正常工作。同时，5 V的电压经1117—1．5，转换为1．5 V的电压输出，供给FPGA使用。

    图5为RS一232接口电路。该接口电路采用MAX232。图中，TX_OUTl_FPGA，RX_INl_FPGA，TX_OUT2_FPGA，RX_IN2_FPGA连接至FPGA的I/0引脚，FPGA的输出经MAX232的电平转换后，通过DB9的插座与PC机串口连接，实现FPGA与PC机通信，便于后续Nios II嵌入式软核调试。为了实现高速图像的采集与存储，保证在高速图像采集中图像的完整性，必须含有缓冲区。利用两片SRAM，其成本较低、容量大、操作简单，能够完成图像数据缓冲功能。SRAM选用IDT71V416，容量为256 Kxl6 bit，访问速度为10 ns，使用两片SRAM即可构成256 Kxl6 bitx2=8 Mbit的高速缓存，从而可实现图像数据的不间断传输。

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    为了在FPGA内部嵌入Nios II软核，采用Flash存储器存储Nios II软核的程序，作为存储程序和数据的Flash存储器，要求操作简单、容量大、接口简单。凶此，选用TC58FVBl6-OAFT型Flash存储器。Flash的地址总线，数据总线和控制引脚与FPGA的控制引脚相连，通过FPGA内部，挂载到Nios II软核的Avalon总线，实现读写控制。Flash的内部主要由存储阵列和控制逻辑电路、控制寄存器组成，并能产生“忙信号”。
2．3 用EPCSl配置Cyclone系列FPGA
    该系统设计采用Ahera公司的Cyclone系列EPlC6Q240C8型的FPGA。选用EPCSl系列配置器件，在主动串行配置(Active Serial Programming)工作模式配置FPGA。EPCSl是1 Mbit的Ahera专用配置器件．其本质是一块专用Flash，用于保存FPGA的配置信息。Cyclone系列是基于SRAM的FPGA器件，可通过下载电缆在线配置该器件。掉电后。FPGA内部配置信息丢失。如果配合相应配置器件。FPGA在上电时，从配置器件读取配置内容，这样即可使用。
2．4 Nios U嵌入式软核处理器
    Nios II是基于哈佛结构的RISC通用嵌入式处理器软核，能与用户逻辑相结合，编程至Ahera的FPGA中。使用Nios II处理器的优势是明显的，只要FPGA的资源允许，NiosII核在同一FPGA中被植入的数量无限制，此外Nios II可植入的Ahera FPGA的系列几乎没有限制，在这方面，Nios显然优于同类产品一Xilinx的MicroBlaze。另外，在开发工具的完备性方面、对常用的嵌入式操作系统支持方面，Nios II都优于MicroBlaze。就成本而言，Nios II的使用费仅仅是其占用的FPGA的逻辑资源费。因此，选用的FPGA越便宜，则Nios II的使用费就越低。在FPGA内部的Nios II创建完成后，需要对Nios II软核处理器进行编程。利用]Nios II IDE集成调试环境编写调试程序，最后，程序下载到FPGA内部。
2．5 使用嵌入式逻辑分析仪实时测试
    为了验证该系统工作，使用SignalTap II实时测试。通过JTAG把图像数据读回PC机，实时监测图像采集卡所采集的图像数据。具体的图像数据的采集验证如图6所示。

    由图6看到UV总线和Y总线输出的帧图像的各像素点的原始RGB值，在行有效时(HREF为高电平)为41，37，ll(R1，G1，B1)；40，44，11(R2，G2，B2)等。

3 结语
    设计是在深入研究传统的图像采集模块的基础上，针对传统的PCI图像采集卡的弊端，设计适用于便携式嵌入式系统的图像采集模块。该系统实现了图像原始数据采集及缓存，保证了图像数据的连续和完整性，具有体积小、功耗低、速度快、接口简单的优点。