基于Xilinx FPGA的視頻圖像采集系統(tǒng)

本篇要分享的是基于Xilinx FPGA的視頻圖像采集系統(tǒng)，使用攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，并沒有用到SDRAM/DDR。這個(gè)工程使用的是OV7670 30w像素?cái)z像頭，用雙口RAM做存儲，顯示窗口為320x240，而且都知道7670的顯示效果也不怎么樣，這是一次偶然的機(jī)會我得到的資源，便在basys3、zybo、國產(chǎn)FPGAPGT180H上移植成功，總體的顯示效果也是可能達(dá)到7670應(yīng)有的標(biāo)準(zhǔn)，7670可以說是最基礎(chǔ)的攝像頭，基礎(chǔ)到你都不想學(xué)驅(qū)動(dòng)它，因?yàn)楫嬞|(zhì)很差，還有一款基礎(chǔ)的攝像頭是OV7725，也是30w像素和7670比起來，差別咋就這么大呢（看價(jià)格就明白了）。當(dāng)然這只是一個(gè)基礎(chǔ)，博主日后也會著手去深入學(xué)習(xí)基于FPGA的攝像頭的驅(qū)動(dòng)。

這是本系統(tǒng)簡單的結(jié)構(gòu)框圖，主要有攝像頭配置模塊、圖像數(shù)據(jù)采集模塊、像素?cái)?shù)據(jù)存儲模塊、VGA顯示驅(qū)動(dòng)模塊組成。

攝像頭模塊需要用SCCB協(xié)議進(jìn)行配置，SCCB即我們常說的I2C總線。
該部分由兩個(gè)模塊構(gòu)成，I2C總線模塊，攝像頭寄存器存儲模塊，通過I2C總線，也就是下文的SCCB總線，將攝像頭寄存器存儲模塊中的數(shù)據(jù)發(fā)送到OV7670內(nèi)，完成攝像頭的得配置。
SCCB總線在寫寄存器時(shí)，先寫設(shè)備地址（0x42），收到從設(shè)備應(yīng)答后再寫寄存器地址，最后寫將要寫入的寄存器的值。

SCCB總線的讀取寄存器時(shí)序：SCCB總線在讀寄存器時(shí)，分兩個(gè)階段：第一階段為先寫設(shè)備地址（0x42），然后再寫寄存器地址；第二階段為寫設(shè)備地址（0x43），然后讀出寄存器地址的值，從而完成對一個(gè)寄存器值的讀取，

I2C協(xié)議有兩條總線，時(shí)鐘總線sclk和數(shù)據(jù)總線sdat，我們在時(shí)鐘總線為高電平的中心時(shí)采集數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘總線為低電平的中心改變數(shù)據(jù)，每發(fā)送8位數(shù)據(jù)會有一個(gè)應(yīng)答。
I2C協(xié)議寫操作，先給一個(gè)寫命令，然后接著兩組8位的數(shù)據(jù)，這個(gè)工程里OV7670一共有165個(gè)寄存器需要配置，當(dāng)?shù)?65個(gè)寄存器配置完成后config_finished信號拉高，表示寄存器配置完成。

從模塊引腳上我們可以看到，7670是8位的像素?cái)?shù)據(jù)輸出，場信號（默認(rèn)低有效），和行信號有效的同時(shí)，開始捕獲數(shù)據(jù)，寄存第一個(gè)數(shù)據(jù)，拼接到第二個(gè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整像素的輸出。
像素?cái)?shù)據(jù)存儲采用的是雙口RAM，將RAM數(shù)據(jù)位寬設(shè)置為16，因?yàn)槲也庞玫膠ybo開發(fā)板是16位的，深度設(shè)置為320x240 = 76800。這是RAMIPCore的頂層實(shí)例化。

最后是VGA顯示模塊，將儲存的數(shù)據(jù)讀出，顯示在VGA顯示器上，這樣這個(gè)視頻采集系統(tǒng)就完成了。這里值得一提的是在使用zybo開發(fā)板進(jìn)行攝像頭配置的時(shí)候出現(xiàn)了如下問題，最后經(jīng)上網(wǎng)查閱資料最后得以解決，出現(xiàn)這個(gè)問題的原因是，遇到上面的問題是因?yàn)槲覀儗⑼獠枯斎氲囊粋€(gè)時(shí)鐘管腳 OV7670_PCLK(攝像頭輸出給FPGA的像素時(shí)鐘)分配到了一個(gè)普通的IO口上面，如果是用一個(gè)專用的時(shí)鐘管腳，比如說ZedBoard有專有時(shí)鐘管腳 Y9就不會出現(xiàn)這樣的錯(cuò)誤了。
因?yàn)槭荌O管腳上，所以其周圍沒有全局時(shí)鐘 BUFG，所以我們在 XDC 里使用：set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets {OV7670_PCLK_IBUF}]? 來屏蔽 Xilinx 的檢測，從而通過編譯。這個(gè)方式在軟件提示的錯(cuò)誤中也提供了解決方法，

我這里使用的迪芝倫官方出品的zybo開發(fā)板，肯定有朋友好奇我的攝像頭是怎么插上去的——杜邦線啊，引腳約束文件可是我精心設(shè)計(jì)的，所以只需要18根連排杜邦線即可，使用杜邦線的顯示效果基本不會受影響，如果你的顯示效果很差，可不能怪杜邦線肯定是你時(shí)序的問題。