基于Xilinx FPGA的视频图像采集系统

电子工程师 2018-02-20 1455

FPGA/ASIC技术

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本篇要分享的是基于Xilinx FPGA的视频图像采集系统，使用摄像头采集图像数据，并没有用到SDRAM/DDR。这个工程使用的是OV7670 30w像素摄像头，用双口RAM做存储，显示窗口为320x240，而且都知道7670的显示效果也不怎么样，这是一次偶然的机会我得到的资源，便在basys3、zybo、国产FPGAPGT180H上移植成功，总体的显示效果也是可能达到7670应有的标准，7670可以说是最基础的摄像头，基础到你都不想学驱动它，因为画质很差，还有一款基础的摄像头是OV7725，也是30w像素和7670比起来，差别咋就这么大呢（看价格就明白了）。当然这只是一个基础，博主日后也会着手去深入学习基于FPGA的摄像头的驱动。

采集系统

这是本系统简单的结构框图，主要有摄像头配置模块、图像数据采集模块、像素数据存储模块、VGA显示驱动模块组成。

采集系统

摄像头模块需要用SCCB协议进行配置，SCCB即我们常说的I2C总线。
该部分由两个模块构成，I2C总线模块，摄像头寄存器存储模块，通过I2C总线，也就是下文的SCCB总线，将摄像头寄存器存储模块中的数据发送到OV7670内，完成摄像头的得配置。
SCCB总线在写寄存器时，先写设备地址（0x42），收到从设备应答后再写寄存器地址，最后写将要写入的寄存器的值。

采集系统

SCCB总线的读取寄存器时序：SCCB总线在读寄存器时，分两个阶段：第一阶段为先写设备地址（0x42），然后再写寄存器地址；第二阶段为写设备地址（0x43），然后读出寄存器地址的值，从而完成对一个寄存器值的读取，

I2C协议有两条总线，时钟总线sclk和数据总线sdat，我们在时钟总线为高电平的中心时采集数据，在时钟总线为低电平的中心改变数据，每发送8位数据会有一个应答。
I2C协议写操作，先给一个写命令，然后接着两组8位的数据，这个工程里OV7670一共有165个寄存器需要配置，当第165个寄存器配置完成后config_finished信号拉高，表示寄存器配置完成。

采集系统

从模块引脚上我们可以看到，7670是8位的像素数据输出，场信号（默认低有效），和行信号有效的同时，开始捕获数据，寄存第一个数据，拼接到第二个数据，实现一个完整像素的输出。
像素数据存储采用的是双口RAM，将RAM数据位宽设置为16，因为我才用的zybo开发板是16位的，深度设置为320x240 = 76800。这是RAMIPCore的顶层实例化。

采集系统

最后是VGA显示模块，将储存的数据读出，显示在VGA显示器上，这样这个视频采集系统就完成了。这里值得一提的是在使用zybo开发板进行摄像头配置的时候出现了如下问题，最后经上网查阅资料最后得以解决，出现这个问题的原因是，遇到上面的问题是因为我们将外部输入的一个时钟管脚 OV7670_PCLK(摄像头输出给FPGA的像素时钟)分配到了一个普通的IO口上面，如果是用一个专用的时钟管脚，比如说ZedBoard有专有时钟管脚 Y9就不会出现这样的错误了。
因为是IO管脚上，所以其周围没有全局时钟 BUFG，所以我们在 XDC 里使用：set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets {OV7670_PCLK_IBUF}] 来屏蔽 Xilinx 的检测，从而通过编译。这个方式在软件提示的错误中也提供了解决方法，

采集系统

我这里使用的迪芝伦官方出品的zybo开发板，肯定有朋友好奇我的摄像头是怎么插上去的——杜邦线啊，引脚约束文件可是我精心设计的，所以只需要18根连排杜邦线即可，使用杜邦线的显示效果基本不会受影响，如果你的显示效果很差，可不能怪杜邦线肯定是你时序的问题。

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