D的FPGA图像采集控制系统设计.docx

D的FPGA图像采集控制系统设计
----IIC从设备接口协议的 Verilog HDL 模拟
摘要:D图像采集系统除了标准图像输出端口外还需预留与后端数字图像处理控制器之间通讯接口。目前常见的通讯接口有串口、SPI、IIC等通信接口。本文采用通过FPGA设计一个以IIC协议通讯的从设备接口,D图像采集器与图像处理器之间的通信。本课题采用Verilog HDL硬件描述语言,以FPGA为载体来实现IIC总线控制器的设计。课题组首先研究了IIC总线的规范,针对传统IIC总线接口的FPGA设计可重用性不高的问题,设计了一种基于FPGA的可配置IIC总线接口设计方案。该方案采用同步有限状态机设计方法和硬件描述语言Verilog HDL,对IIC总线的数据传输时序进行模块化设计。重点介绍了IIC控制器的总体设计方案,详细描述了时序状态机的工作原理和Verilog HDL语言的实现。采用了自顶向下的设计方法,利用了Verilog HDL语言的结构描述风格,把整个设计拆分为6个模块,时钟分频模块,寄存器组模块,数据接收模块,数据发送模块,缓冲输出模块,时序控制模块,顶层模块也采用硬件描述语言设计。因此,基于FPGA的I2C总线设计为数字图像处理电路设计硬软件方面打下了坚实的基础。
D采集;FPGA;IIC总线接口;Verilog HDL;设计

常见的视频采集系统主要有两种,一种是基于微处理器如单片机、ARM等的视频采集卡,其特点是结构简单,易于实现。缺点是,无法实时地对视频数据完成处理,需要使用外部处理器来完成特定的视频处理算法,因而成本高,升级维护难度大;D或者CMOS等的嵌入式视频采集卡,特点是系统高度集成,易于维护升级,可以满足视频采集的需求,同时可以完成特定的视频算法,成本较低。
目前市场上主流的嵌入式设备主要有单片机微处理器、DSP等,但FPGA以其独有的高抗干扰性、高安全性正在逐步取得开发公司的青睐,在FPGA平台开发I2C势在必行。并且利用EDA工具设计芯片实现系统的功能,已经成为支撑电子设计的通用平台,并逐步向支持系统级的设计方向发展。模块化的设计思想在软件设计过程中越来越被重视。I2C总线是Philips 公司推出的双向两线串行通讯标准,具有接口线少、通讯效率高等特点。
此外,在嵌入式系统开发中越来越多的应用到FPGA,而一些嵌入式CPU,比如STM32为了降低成本,减小封装尺寸,没有外接专门的CPU读写总线,而只提供了一些如SPI和I2C的接口。而且在应用中经常有数据要配置到FPGA中,如FPGA中的应用配置寄存器,和配置表项,图像传感器中对比度、亮度的设置、白平衡等的设置,都需要CPU配置。这些数据的数据量不大,速度也不要求很高,很适合用I2C总线来配置。
IIC总线的连线少,具有结构简单,可不用专门的母板和插座直接用导线互连各个设备,因而可大大简化系统的硬件设计。许多半导体厂商都引进了此项总线技术,并推出了不少带IIC总线接口的芯片。已有不少文献讨论了IIC总线接口的单片机编程技术,D的FPGA图像采集系统中IIC用户交互接口的设计,介绍了一种基于FPGA的IIC总线接口驱动的实现方法。
通常,从图像传感器的制作工艺上分,图像采集主要有两种工艺,D,D是集成在半导体单晶硅材料上,而CMOS是集成在互补金属氧化物半导体材料上。D的曝光由XSG1、XSG2及XSUB控制,读出由XH1、XH2、XV1、XV2、XV3、XV4控制,这些信号都来自DSP,D是被动器件;而CMOS的曝光及读出,都来自于芯片内部的时基生成模块,因此CMOS是主动器件。从彩色滤光阵列来看,D使用互补色CMYG的滤光阵列,而CMOS使用原色RGB的滤光阵列。CMYG阵列对光线的衰减少,但是色彩延时不如RGB的阵列丰富,因此更加适合于对光灵敏度要求高的安防行业。D,D的特点,MCCD使用CMYG互补色
滤光阵列,D一样的画质,比CCD高的可见光灵敏度及超高的红外光灵敏度、更大的动态范围。D兼容的曝光、读出控制方式(使用XSUB、XSG1、XH1、XH2、XV2、XV4信号),D相同的被动器件。MCCD利用CMOS工艺集成度高的特点,将先进的图像信号处理器及AFE的功能集成到芯片中,有效提高了图像质量。
图 1 D驱动器设计图
由于CIS集成度优势,D拥有更丰富的接口种类。目前监控用CIS不仅能够输出RGB,IR656等数字信号,而且可以输出PAL/NTSC制式的模拟电视信号,TV应用,也能满足诸如IP Camera等数字应用。
此外CIS还提供I2C控制接口,D图像传感器本身只能输出模拟电信号,如果要增加各种接口,就需要“套片”(FPGA)配合使用。现在大多数监控专用CIS产品在现有接口基础上,创新性提供了Maste