1、目 录 第 1 章 绪论 51.1 FPGA 国内外现状及发展趋势 .51.2 FPGA 的原理以及与单片机相比的优点 .61.3 FPGA 作为 RAM.7第 2 章 系统方案 .82.1 FPGA 开发环境 .82.2 图像采集 .82.2.1 图像传感器 .92.2.3 图像采集系统 .92.3 数据接口设计 .10第 3 章 系统硬件设计 .113.1 图像传感器 .113.1.1 CCD 与 CMOS.113.1.2 CCD/CMOS 工作原理 .143.1.3 CMOS 集成电路特点 .163.1.4 通过 SCCB 总线设置 OV7670 的帧频 .173.1.5 图像数据的采集
2、 .193.2 OV7670 .203.3 OV7670 与 FPGA 的接口电路 .213.4 SCCB 总线 .223.5 SRAM 与 FPGA 的接口电路 .23第 4 章 系统软件设计 .254.1 现场可编程门阵列器件 .254.2 CMOS 寄存器配置时序的 VHDL 描述 .254.3 系统软件 .254.3.1 初始化 .254.3.2 接收数据 .263第 1 章 绪论视频图像采集是视频信号处理系统的前端部分，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。图像采集系统在当今工业、军事、医学各个领域都有着极其广泛的应用，如使用在远程监控、安防、远程抄表、可视电话、工业控制
3、、图像模式识别、医疗器械等各个领域都有着广泛的应用。本文介绍了一种基于 FPGA的图像采集系统，用户可以根据需要对 FPGA 内部的逻辑模块和 I/O 模块重新配置,以实现系统的重构；而且采用这种设计方案 ,便于及时地发现设计中的错误,能够有效地缩短研发时间，提高工作效率。1.1 FPGA 国内外现状及发展趋势经过 70 年的不断发展,FPGA 已由当初的 1200 门发展成为今天的百万门级。通过不断更新优化产品架构和生产工艺,实现了更多的逻辑单元、更高的性能、更低的单位成本和功耗。FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的
4、领域。而应用的变化也使 FPGA 产品近几年的演进趋势越来越明显：一方面，FPGA 供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制 IP 被引入 FPGA 中，以满足客户产品快速上市的要求。此外，FPGA 企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。第一时间采用新工艺提升性能降低成本:半导体产品的集成度和成本一直在按照摩尔定律演进。在这方面，作为半导体产品的重要一支可编程逻辑器件也不例外。最先进的半导体工艺几乎都会在第一时间被应用在 FPGA 产品上。而每一次工艺升级带来的优势，都会在产品的功耗、最高运行频率
5、、容量以及成本上得到体现。引入更多通用和定制 IP 向解决方案供应商转变:近 5 年来，FPGA 的应用已经从过去通信基础设备这一非常窄的领域迅速扩展到了今天非常广泛的应用领域。在许多新兴和快速成长的市场上，FPGA 作为核心器件而被广泛采用。无线通信、工业、科学及测量、医疗设备、音视频广播、汽车、计算、存储应用和快速发展的消费品市场，都成为 FPGA 业务发展的重点领域。在这种情况下，FPGA 企业也开始了相应的转型，以适应新的发展需求。4采用各种技术路线争做低功耗之王:电池供电应用的迅猛增长刺激了全球市场对低功耗半导体的需求。今天，系统设计人员面对更加严格的系统总体功耗限制。与此同时，这类
6、应用所要求的功能、性能和复杂度也在增加，但却不能以增加电池为代价。为此，原来在功耗指标上并不占优的 FPGA 产品开始采用各种新技术来降低和优化功耗。1.2 FPGA 的原理以及与单片机相比的优点FPGA (Field Programmable Gate Arra : 现场可编程门阵列)是在PAL、 GAL、PLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种。FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block） 、输出输入模块 IOB（I
7、nput Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对 FPGA 内部的逻辑模块和 I/O 模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可 重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA 既解决了 定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。可以毫不夸张的讲，FPGA 能完成任何数字器件的功能，上至高性能 CPU,下至简单的 74 电 路，都可以用 FPGA 来实现。FPGA 如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自
8、的设计一个数字系统。通过软件仿 真，我们可以事先验证设计的正确性。在 PCB 完成以后，还可以利用 FPGA 的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用 FPGA 来开发数字电 路，可以大大缩短设计时间，减少 PCB 面积，提高系统的可靠性。FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 进入工 作状态。掉电后，FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA 能够反复使用。FPGA
9、的编程无须专用的FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功 能。因此， FPGA 的使用非常灵活。可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。与单片机相比，FPGA 具有以下优点：51),FPGA 运行速度快 ：FPGA 内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百 M,而单片机运行速度低的多.在高速场合 ,单片机无法代替 FPGA。2),FPGA 管脚多 ,容易实现大规模系统 ：单片机 IO 口有限,而 FPG
10、A 动辄数百IO,可以方便连接外设.比如一个系统有多路 AD,DA,单片机要进行仔细的资源分配,总线隔离,而 FPGA 由于丰富的 IO 资源,可以很容易用不同 IO 连接各外设。3),FPGA 内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力：单片机程序是串行执行的,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限的中断资源;而 FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了 FPGA 工作更有效率。4),FPGA 有大量软核 ,可以方便进行二次开发：FPGA 甚至包含单片机和 DSP 软核,并且 IO 数仅受 FPGA 自身 IO 限制,所以,FPGA 又是单片机和 DSP
11、的超集,也就是说,单片机和 DSP 能实现的功能,FPGA 一般都能实现。1.3 FPGA 作为 RAM查找表(Look-Up-Table) 简称为 LUT，LUT 本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 LUT，所以每一个 LUT 可以看成一个有 4 位地址线的 RAM。 当用户通过原理图或 HDL 语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表( 即结果) 事先写入 RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。从表中可以看到，LUT 具有和逻辑电路相同的功能。
12、实际上，LUT 具有更快的执行速度和更大的规模。由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。6第 2 章 系统方案2.1 FPGA 开发环境 数字电子领域中三种基本的器件类型为：存储器件、微处理器和逻辑器件。其中逻辑器件可分为两大类，即固定逻辑器件和可编程逻辑器件。固定逻辑器件中的电路是永久性的，用于完成一种或一组功能。在可编程逻辑器件中，可以在任何时候对此类器件进行修改，以完成多种不同的功能。可编程逻辑器件的两个主要类型是：现场可编程门阵列(FPGA)和复杂
13、可编程逻辑器件(CPLD)，与 CPLD 相比，FPGA 可提供更高的逻辑密度、更丰富的特性和更高的性能。可编程逻辑器件与固定逻辑器件相比，其优点主要包括以下几个方面：(1)在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于可编程逻辑器件来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到；(2)不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品，因为可编程逻辑器件已经十分活跃于市场中，购买方便；(3)不需要客户支付高昂的一次性工程费用(NonRecurdng Enginneering,M迎)和购买昂贵的掩膜组，因为可以在同一个芯片中重复编程，实现不同的功能，这样便可延长
14、产品的使用周期，从而分摊购买芯片时所花的成本；(4)允许客户在需要时仅定购所需要的数量，从而使客户可控库存；(5)可以进行重新编程，有了可编程逻辑器件之后，对于设备新功能的增加和升级，只需要将新的编程文件下载到可编程逻辑器件中，就可以在系统创建新的硬件逻辑；(6)有越来越多的知识产权(口) 核心库的支持。用户可以利用这些预定义和预测试的软件模块在可编程逻辑器件内迅速实现系统功能。可编程逻辑器件的价值在于其能够大大缩短电子产品制造商的开发周期，节约开发成本，随着可编程逻辑器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可编程逻辑器件一定会在数字设计领域进一步普及。2.2 图像采集72.2.1 图像
15、传感器COMS 图像传感器是近几年发展较快的新型图像传感器，由于采用了相同COMS 技术，因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上，是一个完整的图像系统。图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据。该产品 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。OmmiVision 图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定
16、图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。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、CMOS 摄像头接口、PC 机总线接口等。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。2.2.3 图像采集系统基于 FPGA 的 CMOS 图像传感器采集系统如图 2.1。该系统包括 OV7670 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。OV7670 图像数据采集板
17、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。8地址 数据/ 总线 地址 WR RD CS总线 图像数据 READYPclk DclkVsync Hsync 数据总线地址 数据/ 总线 地址 WR RD CS总线 图 2.1 图像采集系统框图2.3 数据接口设计基于 FPGA 的 CMOS 图像传感器系统接口如图 2.2。通过对输入信号、输出信号、数据总线和地址总线的链接，FPGA 可控制图像传感器，并有 SRAM 实现数据缓存。OV7670CSBWE
18、BOEBHREFVSYNCPCLKA3:0DATA7:0FPGACSBWEBOEBHREFVSYNCPCLKA3:0DATA7:0SRAM(A)SRAM(B)微处理器FPGA 的图像数据接收缓存板SRAM(A)OV7670 图像数据采集版SRAM(B)9图 2.2 系统框图第 3 章 系统硬件设计3.1 图像传感器3.1.1 CCD 与 CMOSCCD 与 COMS 传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。CCD 传感器中每一行中每一个象素的电荷都会依次传送到下一个象素中，由
19、最底端部分输出会，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出：而在 COMS 传感器中，每个象素都会邻接一个放大器 A/D 转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。造成这种差异的原因在于：CCD 的特殊工艺可保证在传送时不会失真，因此保个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而 COMS 工艺产数据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大，再整合各个象素的数据。由于数据传送方式不同，因此 CCD 与 COMS 传感器在效能与应用上也有诸多差异。这些差异包括：灵敏度：灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电信号的能力。CCD 图像传感器灵敏度较 COMS 图像传感器高 30%-50%。这主要因为
20、CCD 像元耗尽区深度可达 10MM，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。COMS 图像传感器由于采用 0.18-0.5mm 标准 CMOS 工艺。由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像元耗尽区深度只有 1-2MM，其吸收截止波长小于 650nm，导致像元对红外及近红外光吸收困难。电子快门：快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力。CCD 传感器特别是内线转移结构传感器具有优良的电子快门功能，由于器件可纵向从衬底排除多余电荷，电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制，不会挤占光敏区面积而降低器件占空比。CMOS 传感器在每个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能，增加电子快门功能将增加
21、像元中的晶体管数量。压缩感光区的面积，降低器件的占空比，特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出。CMOS 传感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题，这种方式减少了像元中是晶体管，提高了占空比，但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形，因此只适合某10些商业应用。此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与 CCD 类似的同时曝光的电子快门功能。速度：由于大部分相机电路可与 CMOS 图像传感器在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延迟降低，信号读出采用 X2Y 寻址方式，CMOS 图像传感器工作速度优于 CCD。通常的 CCD 传感器由于
22、采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有 38 片，信号读出速率不超过 70MPIXELS/S。CMOS 像感器设计者都采用将模数转换（ADC）作在每个像元中，使 CMOS 传感器信号读出速率可达 1000PIXELS/S。窗口：CMOS 图像传感器由于信号读出采用 X2Y 寻址方式，具有读出任意局部画面的能力，这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频。这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。CCD 图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。综上所述：CMOS 与 CCD 图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将信号处理电器与 CMOS 图像传感器集成
23、在一个芯片上等优点。但其图像质量（特别是低照度环境下）与系统灵活性与 CCD 的相比相对较低。由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价位、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量高商用领域，CCD 与 CMOS 图像传感器相比，具有较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用。如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电高性能工业摄像机、大部分科学与医学摄像机等应用。随着 CCD 与 CMOS 传感技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。
24、倒如：CCD 传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；CMOS 传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，CCD 与 CMOS 图像传感器相比，在价格方面目前几乎相等。这主要是 CCD 具有成熟的技术与市场， CMOS 器件具有较高的技术市场开发成本。CMOS 与 CCD 图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺上制作曲工艺线的设备亦相似，但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别。可见 CMOS 与 CCD 图像传感器互为补充，不会出现谁消灭谁的结局，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。根据KODAK 公司的预测，未来 10 年 CCD 仍将占据高性能图像传感器市场，CMOS 随
