基于I2C總線(xiàn)圖像傳感器配置的FPGA實(shí)現

　　基于FPGA的嵌入式圖像檢測系統因其快速的處理能力和靈活的編程設計使得它在工業(yè)現場(chǎng)的應用非常廣泛，通常這些系統都是通過(guò)采集圖像數據流并對它實(shí)時(shí)處理得到所需的特征信息。圖像數據的獲取是整個(gè)系統的第一步，作為整個(gè)系統的最前端，它決定了原始數據的質(zhì)量，是整個(gè)系統成功的關(guān)鍵。CMOS圖像傳感器采用CMOS工藝，可以將圖像采集單元和信號處理單元集成到同一塊芯片上，因而在集成度、功耗、成本上具有很大優(yōu)勢，這使得它在嵌入式圖像處理領(lǐng)域的運用越來(lái)越多。CMOS圖像傳感器芯片大都把I2C總線(xiàn)的一個(gè)子集作為控制接口，用戶(hù)可以很方便地對芯片進(jìn)行編程操作，根據設計要求的不同配置圖像傳感器內部寄存器數據，以獲取期望的圖像。本文以Aptina公司的MT9P031圖像傳感器為例，用Verilog硬件描述語(yǔ)言設計了I2C總線(xiàn)的接口電路，以FPGA作為核心控制器實(shí)現了對MT9P031初始化操作，不僅驗證了I2C總線(xiàn)的配置效果，得到了理想的圖像數據，還為后續線(xiàn)結構光圖像的處理系統奠定了基礎。

　　1 I2C總線(xiàn)協(xié)議及MT9P031配置過(guò)程介紹

　　1.1 I2C總線(xiàn)協(xié)議

　　I2C(Inter-Integrated Circuit Bus)總線(xiàn)是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線(xiàn)式用于芯片之間連接的總線(xiàn)，由于其接口線(xiàn)少，控制方式簡(jiǎn)單，通信速率較高等特點(diǎn)，在單片機、串行EEPROM等器件中有著(zhù)廣泛的使用。I2C總線(xiàn)用兩根信號線(xiàn)來(lái)進(jìn)行數據傳輸，一根為串行數據(SDA， Serial Data)，另一根為串行時(shí)鐘線(xiàn)(SCL， Serial Clock)。若干兼容器件(如存儲器、A/D、D/A、LCD驅動(dòng)器等)可以共享I2C總線(xiàn)。I2C總線(xiàn)上所有器件依靠SDA發(fā)送的地址信號尋址，不需要片選線(xiàn)。任何時(shí)刻總線(xiàn)只能由一個(gè)主器件控制，各從器件在總線(xiàn)空閑時(shí)啟動(dòng)數據傳輸。

　　1.2 MT9P031配置時(shí)序分析

　　由于檢測系統需求的不同，圖像傳感器可能要工作在不同的模式，因此需要通過(guò)外部控制器對其內部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成具體的配置。典型的寫(xiě)MT9P031寄存器時(shí)序如圖1所示，起始信號過(guò)后，FPGA先寫(xiě)入設備(即MT9P031)的地址0xBA，然后釋放SDATA數據總線(xiàn)，隨后MT9P031返回一個(gè)應答信號ACK，FPGA獲取應答信號后，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期再傳送待配置的寄存器地址0x09，在獲取應答信號后再傳送16位的寄存器數據，由于每次只能發(fā)送8位數據，所以這16位的寄存器數據要分兩次才能發(fā)送完畢，先發(fā)送的是高八位數據，后發(fā)送的為低八位數據，每發(fā)送完一個(gè)字節的數據，FPGA均會(huì )獲取一位的應答信號，然后結束一個(gè)傳送周期，完成一個(gè)寄存器的配置，即IDAddress+ SUB-Address + W-Data總共32位的數據。重復上述過(guò)程可以對不同的寄存器進(jìn)行不同的參數配置。

　　圖1寫(xiě)MT9P031時(shí)序圖

　　2 FPGA模塊設計

　　為了實(shí)現對圖像傳感器的正確配置，必須嚴格按照MT9P031的配置時(shí)序完成設計，本設計中I2C總線(xiàn)配置模塊主要由三個(gè)小模塊構成，它們分別是I2C_Clock_Generator、I2C_Controller和Register_Value，各模塊之間的連接如圖2所示。

　　圖2 I2C總線(xiàn)配置模塊結構框圖

　　I2C_Clock_Generator主要產(chǎn)生負責產(chǎn)生I2C串行時(shí)鐘信號，根據協(xié)議數據傳輸有三種速度模式：正常模式100Kb/s、快速模式400Kb/s、高速模式3.4Mb/s，為了保證配置的準確性和成功率，設計中采用了100Kb/的速度模式，即SCLK的頻率為100KHz，因為FPGA外部輸入的時(shí)鐘為50MHz，所以需要對其分頻獲得。同時(shí)該模塊還負責產(chǎn)生數據傳輸有效信號，保證SDAT的改變發(fā)生在SCLK的低電平時(shí)段。

　　Register_Value其實(shí)一個(gè)查找表，負責保存MT9P031內部需要配置的寄存器地址和數據，查找表內數據的位數都是24bit，單獨作為一個(gè)模塊的目的是為了方便用戶(hù)改變配置數據，決定圖像傳感器的不同工作狀態(tài)。

　　I2C_Controller是圖像傳感器配置設計的核心模塊，主要完成了啟停命令產(chǎn)生、字節發(fā)送和讀取、應答信號采集等功能。同時(shí)，I2C_Controller模塊還產(chǎn)生I2C讀寫(xiě)時(shí)序，由狀態(tài)機嚴格按照I2C協(xié)議實(shí)現，將Register Value部分送出的24位操作碼I2C_DAT轉化成為正確的I2C時(shí)序。一個(gè)寄存器的數據傳輸完成后，模塊還將判斷寄存器配置數據是否發(fā)送順利，如果一切正常，LUT_INDEX信號會(huì )自動(dòng)加一，控制Register Value查找表產(chǎn)生下一個(gè)寄存器的地址和數據。

　　3 I2C接口的仿真及調試

　　為了驗證MT9P031配置過(guò)程中I2C時(shí)序的正確性，本設計在Modelsim Se10.1c版軟件平臺中對整個(gè)模塊進(jìn)行了功能仿真，在Test bench中模擬了50MHz控制時(shí)鐘以及復位信號，觀(guān)察最終輸出端的波形情況。圖3是對MT9P031的寄存器地址0x00進(jìn)行讀操作的仿真波形圖，圖4是對寄存器地址0x01寫(xiě)入0x01EA的仿真波形圖。

　　圖3讀取寄存器0x00的波形仿真

　　圖4向寄存器0x01寫(xiě)入數據0x01EA的波形仿真