基于FPGA的CMOS摄像驱动设计

目录第1章绪论31.1FPGA国内外现状及发展趋势..............................................................................31.2FPGA的原理以及与单片机相比的优点...............................................................41.3FPGA作为RAM........................................................................................................5第2章系统方案.......................................................................................................................62.1FPGA开发环境.......................................................................................................62.2图像采集.................................................................................................................62.2.1图像传感器........................................................................................................72.2.3图像采集系统....................................................................................................72.3数据接口设计...........................................................................................................8第3章系统硬件设计................................................................................................................93.1图像传感器...............................................................................................................93.1.1CCD与CMOS..................................................................................................93.1.2CCD/CMOS工作原理....................................................................................113.1.3CMOS集成电路特点.....................................................................................123.1.4通过SCCB总线设置OV7670的帧频........................................................143.1.5图像数据的采集..............................................................................................153.2OV7670...................................................................................................................163.3OV7670与FPGA的接口电路..............................................................................173.4SCCB总线.............................................................................................................183.5SRAM与FPGA的接口电路................................................................................19第4章系统软件设计................................................................................................................214.1现场可编程门阵列器件.........................................................................................214.2CMOS寄存器配置时序的VHDL描述...............................................................214.3系统软件.................................................................................................................214.3.1初始化..............................................................................................................214.3.2接收数据..........................................................................................................223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、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。1.1FPGA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、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。1.2FPGA的原理以及与单片机相比的优点FPGA(FieldProgrammableGateArra: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（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）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：1),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5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FPGA动辄数百IO,可以方便连接外设.比如一个系统有多路AD,DA