基于FPGA的圖像采集模塊設計

　　OV7620有主設備和從設備兩種工作模式。該系統設計選用主設備工作模式。在主設備工作模式時(shí)，0V7620可提供以下信號：水平行同步信號 Hsync，即CHSYNC引腳（輸出狀態(tài)），高電平有效；垂直場(chǎng)同步信號Vsync，即VSYNC引腳（輸出狀態(tài)），高電平有效；圖像數據信號，由 UV7~UV0和Y7~Y0輸出。圖像數據同步時(shí)鐘信號Pclk，即PCLK引腳。通過(guò)這些信號，系統可采用FPGA接收OV7620的數據，正確采集每一幀圖像數據，為后續數據存儲和處理奠定基礎。

　　2．2 FPGA的圖像數據接收緩存板

　　2．2．1 圖像緩存方案

　　采用高速SRAM切換模式，即“乒乓模式”。高速SRAM只有一個(gè)數據、地址和控制總線(xiàn)，可通過(guò)三態(tài)緩沖門(mén)分別接圖像傳感器和嵌入式系統。當圖像傳感器輸出數據時(shí)，SRAM由三態(tài)門(mén)切換至圖像傳感器一側，以使圖像數據寫(xiě)入。當圖像傳感器輸出數據結束后，SRAM再由三態(tài)門(mén)切換到嵌入式系統一側以便嵌入式系統讀寫(xiě)。在切換過(guò)程中，還應保證幀圖像數據的完整性。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是SRAM可隨機存取，同時(shí)易于得到較大容量的高速SRAM且價(jià)格適中。

　　2．2．2 FPGA板模塊電路

　　圖4為電源部分的設計電路。其中，FPGA板接9 V直流電源的輸入，經(jīng)7805后，9 V的電壓轉換為5 V，經(jīng)電容平滑濾波后，5 V的電壓輸人給1117—3．3，得到3．3 V電壓。電源工作指示燈VD2指示電源是否正常工作。同時(shí)，5 V的電壓經(jīng)1117—1．5，轉換為1．5 V的電壓輸出，供給FPGA使用。

　　圖5為RS一232接口電路。該接口電路采用MAX232。圖中，TX_OUTl_FPGA，RX_INl_FPGA，TX_OUT2_FPGA，RX_IN2_FPGA連接至FPGA的I/0引腳，FPGA的輸出經(jīng)MAX232的電平轉換后，通過(guò)DB9的插座與PC機串口連接，實(shí)現FPGA與PC機通信，便于后續Nios II嵌入式軟核調試。為了實(shí)現高速圖像的采集與存儲，保證在高速圖像采集中圖像的完整性，必須含有緩沖區。利用兩片SRAM，其成本較低、容量大、操作簡(jiǎn)單，能夠完成圖像數據緩沖功能。SRAM選用IDT71V416，容量為256 Kxl6 bit，訪(fǎng)問(wèn)速度為10 ns，使用兩片SRAM即可構成256 Kxl6 bitx2=8 Mbit的高速緩存，從而可實(shí)現圖像數據的不間斷傳輸。

　　為了在FPGA內部嵌入Nios II軟核，采用Flash存儲器存儲Nios II軟核的程序，作為存儲程序和數據的Flash存儲器，要求操作簡(jiǎn)單、容量大、接口簡(jiǎn)單。兇此，選用TC58FVBl6-OAFT型Flash存儲器。 Flash的地址總線(xiàn)，數據總線(xiàn)和控制引腳與FPGA的控制引腳相連，通過(guò)FPGA內部，掛載到Nios II軟核的Avalon總線(xiàn)，實(shí)現讀寫(xiě)控制。Flash的內部主要由存儲陣列和控制邏輯電路、控制寄存器組成，并能產(chǎn)生“忙信號”。

　　2．3 用EPCSl配置Cyclone系列FPGA

　　該系統設計采用Ahera公司的Cyclone系列 EPlC6Q240C8型的FPGA。選用EPCSl系列配置器件，在主動(dòng)串行配置（Active Serial Programming）工作模式配置FPGA。EPCSl是1 Mbit的Ahera專(zhuān)用配置器件．其本質(zhì)是一塊專(zhuān)用Flash，用于保存FPGA的配置信息。Cyclone系列是基于SRAM的FPGA器件，可通過(guò)下載電纜在線(xiàn)配置該器件。掉電后。FPGA內部配置信息丟失。如果配合相應配置器件。FPGA在上電時(shí)，從配置器件讀取配置內容，這樣即可使用。

　　2．4 Nios U嵌入式軟核處理器

　　Nios II是基于哈佛結構的RISC通用嵌入式處理器軟核，能與用戶(hù)邏輯相結合，編程至Ahera的FPGA中。使用Nios II處理器的優(yōu)勢是明顯的，只要FPGA的資源允許，NiosII核在同一FPGA中被植入的數量無(wú)限制，此外Nios II可植入的Ahera FPGA的系列幾乎沒(méi)有限制，在這方面，Nios顯然優(yōu)于同類(lèi)產(chǎn)品一Xilinx的MicroBlaze。另外，在開(kāi)發(fā)工具的完備性方面、對常用的嵌入式操作系統支持方面，Nios II都優(yōu)于MicroBlaze。就成本而言，Nios II的使用費僅僅是其占用的FPGA的邏輯資源費。因此，選用的FPGA越便宜，則Nios II的使用費就越低。在FPGA內部的Nios II創(chuàng )建完成后，需要對Nios II軟核處理器進(jìn)行編程。利用］Nios II IDE集成調試環(huán)境編寫(xiě)調試程序，最后，程序下載到FPGA內部。

　　2．5 使用嵌入式邏輯分析儀實(shí)時(shí)測試

　　為了驗證該系統工作，使用SignalTap II實(shí)時(shí)測試。通過(guò)JTAG把圖像數據讀回PC機，實(shí)時(shí)監測圖像采集卡所采集的圖像數據。具體的圖像數據的采集驗證如圖6所示。

　　由圖6看到UV總線(xiàn)和Y總線(xiàn)輸出的幀圖像的各像素點(diǎn)的原始RGB值，在行有效時(shí)（HREF為高電平）為 41，37，ll（R1，G1，B1）；40，44，11（R2，G2，B2）等。

　　3 結語(yǔ)

　　設計是在深入研究傳統的圖像采集模塊的基礎上，針對傳統的PCI圖像采集卡的弊端，設計適用于便攜式嵌入式系統的圖像采集模塊。該系統實(shí)現了圖像原始數據采集及緩存，保證了圖像數據的連續和完整性，具有體積小、功耗低、速度快、接口簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。