基于FPGA的CMOS摄像驱动设计 精品Word文档格式.docx
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4.1现场可编程门阵列器件25
4.2CMOS寄存器配置时序的VHDL描述25
4.3系统软件25
4.3.1初始化25
4.3.2接收数据26
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。
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,单片机要进行仔细的资源分配,总线隔离,而FPGA由于丰富的IO资源,可以很容易用不同IO连接各外设。
3）,FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力：
单片机程序是串行执行的,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限的中断资源;
而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率。
4）,FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发：
FPGA甚至包含单片机和DSP软核,并且IO数仅受FPGA自身IO限制,所以,FPGA又是单片机和DSP的超集,也就是说,单片机和DSP能实现的功能,FPGA一般都能实现。
1.3FPGA作为RAM
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。
当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
从表中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。
实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。
由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。
第2章系统方案
2.1FPGA开发环境
数字电子领域中三种基本的器件类型为：
存储器件、微处理器和逻辑器件。
其中逻辑器件可分为两大类，即固定逻辑器件和可编程逻辑器件。
固定逻辑器件中的电路是永久性的，用于完成一种或一组功能。
在可编程逻辑器件中，可以在任何时候对此类器件进行修改，以完成多种不同的功能。
可编程逻辑器件的两个主要类型是：
现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD），与CPLD相比，FPGA可提供更高的逻辑密度、更丰富的特性和更高的性能。
可编程逻辑器件与固定逻辑器件相比，其优点主要包括以下几个方面：
（1）在设计过程中为客户提供了更大的灵活性，因为对于可编程逻辑器件来说，设计反复只需要简单地改变编程文件就可以了，而且设计改变的结果可立即在工作器件中看到；
（2）不需要漫长的前置时间来制造原型或正式产品，因为可编程逻辑器件已经十分活跃于市场中，购买方便；
（3）不需要客户支付高昂的一次性工程费用（Non．RecurdngEnginneering,M迎）和购买昂贵的掩膜组，因为可以在同一个芯片中重复编程，实现不同的功能，这样便可延长产品的使用周期，从而分摊购买芯片时所花的成本；
（4）允许客户在需要时仅定购所需要的数量，从而使客户可控库存；
（5）可以进行重新编程，有了可编程逻辑器件之后，对于设备新功能的增加和升级，只需要将新的编程文件下载到可编程逻辑器件中，就可以在系统创建新的硬件逻辑；
（6）有越来越多的知识产权（口）核心库的支持。
用户可以利用这些预定义和预测试的软件模块在可编程逻辑器件内迅速实现系统功能。
可编程逻辑器件的价值在于其能够大大缩短电子产品制造商的开发周期，节约开发成本，随着可编程逻辑器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可编程逻辑器件一定会在数字设计领域进一步普及。
2.2图像采集
2.2.1图像传感器
COMS图像传感器是近几年发展较快的新型图像传感器，由于采用了相同COMS技术，因此可以将像素阵列与外围支持电路集成在同一块芯片上，是一个完整的图像系统。
图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。
通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。
该产品VGA图像最高达到30帧/秒。
用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。
所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。
OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。
图像采集卡是常用的图像输入设备，通常占用PC机总线的一个插槽。
它主要包括图像存储器单元、CMOS摄像头接口、PC机总线接口等。
这里提出一种适用于嵌入式系统的数字图像采集模块设计方案，实现图像数据采集、“乒乓”模式图像数据的缓存、图像数据的采集模块外部接口，并保证图像采集的高速性和连续性。
2.2.3图像采集系统
基于FPGA的CMOS图像传感器采集系统如图2.1。
该系统包括OV7670图像数据采集板、FPGA的图像数据接收缓存板、两片SRAM构成的高速缓存以及系统外部接口。
OV7670图像数据采集板主要完成图像数据采集，其图像数据总线、帧图像数据时钟、帧同步信号、行同步信号与FPGA图像数据接收缓存板相连，FPGA协调两片SRAM“乒乓模式”的读写操作，并完成模块的外部接口。
地址数据/
总线地址WRRDCS
总线
图像数据READY
PclkDclk
Vsync
Hsync数据总线
图2.1图像采集系统框图
2.3数据接口设计
基于FPGA的CMOS图像传感器系统接口如图2.2。
通过对输入信号、输出信号、数据总线和地址总线的链接，FPGA可控制图像传感器，并有SRAM实现数据缓存。
图2.2系统框图
第3章系统硬件设计
3.1图像传感器
3.1.1CCD与CMOS
CCD与COMS传感器是当前被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管（photodiode）进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据传送的方式不同。
CCD传感器中每一行中每一个象素的电荷都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出会，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出：
而在COMS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。
造成这种差异的原因在于：
CCD的特殊工艺可保证在传送时不会失真，因此保个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；
而COMS工艺产数据在传送距离较长时会产生噪声，因此必须先放大，再整合各个象素的数据。
由于数据传送方式不同，因此CCD与COMS传感器在效能与应用上也有诸多差异。
这些差异包括：
灵敏度：
灵敏度代表传感器的光敏单元收集光子产生电信号的能力。
CCD图像传感器灵敏度较COMS图像传感器高30%-50%。
这主要因为CCD像元耗尽区深度可达10MM，具有可见光及近红外光谱段的完全收集能力。
COMS图像传感器由于采用0.18-0.5mm标准CMOS工艺。
由于采用低电阻率硅片须保持低工作电压，像元耗尽区深度只有1-2MM，其吸收截止波长小于650nm，导致像元对红外及近红外光吸收困难。
电子快门：
快门代表了任意控制曝光开始和停止的能力。
CCD传感器特别是内线转移结构传感器具有优良的电子快门功能，由于器件可纵向从衬底排除多余电荷，电子快门功能几乎不受像元尺寸缩小的限制，不会挤占光敏区面积而降低器件占空比。
CMOS传感器在每个像元中需要一定数量的晶体管来实现电子快门功能，增加电子快门功能将增加像元中的晶体管数量。
压缩感光区的面积，降低器件的占空比，特别在像元尺寸进一步缩小时此矛盾更为突出。
CMOS传感器设计者采用在不同时间对不同行进行曝光的滚动快门方式解决此问题，这种方式减少了像元中是晶体管，提高了占空比，但在高性能应用中运动目标会出现明显的图像变形，因此只适合某些商业应用。
此外可采用较大尺寸的像元以兼顾图像高性能和具有与CCD类似的同时曝光的电子快门功能。
速度：
由于大部分相机电路可与CMOS图像传感器在同一芯片上制作，信号及驱动传输距离缩短，电感、电容及寄生延迟降低，信号读出采用X2Y寻址方式，CMOS图像传感器工作速度优于CCD。
通常的CCD传感器由于采用顺序传输电荷，组成相机的电路芯片有3~8片，信号读出速率不超过70MPIXELS/S。
CMOS像感器设计者都采用将模数转换（ADC）作在每个像元中，使CMOS传感器信号读出速率可达1000PIXELS/S。
窗口：
CMOS图像传感器由于信号读出采用X2Y寻址方式，具有读出任意局部画面的能力，这使它可以提高感兴趣的小区域的帧或行频。
这种功能可用于在画面局部区域进行高速瞬时精确目标跟踪。
CCD图像传感器由于其顺序读出信号结构决定它在画面开窗口的能力受到限制。
综上所述：
CMOS与CCD图像传感器相比，具有功耗低、摄像系统尺寸小，可将信号处理电器与CMOS图像传感器集成在一个芯片上等优点。
但其图像质量（特别是低照度环境下）与系统灵活性与CCD的相比相对较低。
由于具有上述特点，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价位、摄像质量无过高要求的应用，如保安用小型/微型相机、手机、计算机网络视频会议系统、无线手持式视频会议系统、条形码扫描器、传真机、玩具、生物显微计数、某些车用摄像系统等大量高商用领域，CCD与CMOS图像传感器相比，具有较好的图像质量和灵活性，仍然保持高端的摄像技术应用。
如天文观察、卫星成像、高分辨率数字照片、广播电高性能工业摄像机、大部分科学与医学摄像机等应用。
随着CCD与CMOS传感技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势。
倒如：
CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；
CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品，CCD与CMOS图像传感器相比，在价格方面目前几乎相等。
这主要是CCD具有成熟的技术与市场，CMOS器件具有较高的技术市场开发成本。
CMOS与CCD图像传感器的光电转换原理相同，均在硅集成电路工艺上制作曲工艺线的设备亦相似，但不同的制作工艺和不同的器件结构使二者在器件的能力与性能上具有相当大的差别。
可见CMOS与CCD图像传感器互为补充，不会出现谁消灭谁的结局，在可预见的未来将并存发展，共同繁荣图像传感器市场。
根据KODAK公司的预测，未来10年CCD仍将占据高性能图像传感器市场，CMOS随着技术的进一步发展与成熟，也将在高端市场占据一席之地。
在低端市场，CMOS将挤占大半CCD图像传感器原占的市场，成为低端市场的主流。
3.1.2CCD/CMOS工作原理
无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管（photodiode），该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。
但在周边组成上，CCD的感光元件与CMOS的感光元件并不相同，前者的感光元件除了感光二极管之外，包括一个用于控制相邻电荷的存储单元，感光二极管占据了绝大多数面积—换一种说法就是，CCD感光元件中的有效感光面积较大，在同等条件下可接收到较强的光信号，对应的输出电信号也更明晰。
而CMOS感光元件的构成就比较复杂，除处于核心地位的感光二极管之外，它还包括放大器与模数转换电路，每个像点的构成为一个感光二极管和三颗晶体管，而感光二极管占据的面积只是整个元件的一小部分，造成CMOS传感器的开口率远低于CCD（开口率：
有效感光区域与整个感光元件的面积比值）；
这样在接受同等光照及元件大小相同的情况下，CMOS感光元件所能捕捉到的光信号就明显小于CCD元件，灵敏度较低；
体现在输出结果上，就是CMOS传感器捕捉到的图像内容不如CCD传感器来得丰富，图像细节丢失情况严重且噪声明显，这也是早期CMOS传感器只能用于低端场合的一大原因。
CMOS开口率低造成的另一个麻烦在于，它的像素点密度无法做到媲美CCD的地步，因为随着密度的提高，感光元件的比重面积将因此缩小，而CMOS开口率太低，有效感光区域小得可怜，图像细节丢失情况会愈为严重。
因此在传感器尺寸相同的前提下，CCD的像素规模总是高于同时期的CMOS传感器，这也是CMOS长期以来都未能进入主流数码相机市场的重要原因之一。
每个感光元件对应图像传感器中的一个像点，由于感光元件只能感应光的强度，无法捕获色彩信息，因此必须在感光元件上方覆盖彩色滤光片。
在这方面，不同的传感器厂商有不同的解决方案，最常用的做法是覆盖RGB红绿蓝三色滤光片，以1：
2：
1的构成由四个像点构成一个彩色像素（即红蓝滤光片分别覆盖一个像点，剩下的两个像点都覆盖绿色滤光片），采取这种比例的原因是人眼对绿色较为敏感。
而索尼的四色CCD技术则将其中的一个绿色滤光片换为翡翠绿色（英文Emerald，有些媒体称为E通道），由此组成新的R、G、B、E四色方案。
不管是哪一种技术方案，都要四个像点才能够构成一个彩色像素，这一点大家务必要预先明确。
在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。
在CCD传感器中，每一个感光元件都不对此作进一步的处理，而是将它直接输出到下一个感光元件的存储单元，结合该元件生成的模拟信号后再输出给第三个感光元件，依次类推，直到结合最后一个感光元件的信号才能形成统一的输出。
由于感光元件生成的电信号实在太微弱了，无法直接进行模数转换工作，因此这些输出数据必须做统一的放大处理—这项任务是由CCD传感器中的放大器专门负责，经放大器处理之后，每个像点的电信号强度都获得同样幅度的增大；
但由于CCD本身无法将模拟信号直接转换为数字信号，因此还需要一个专门的模数转换芯片进行处理，最终以二进制数字图像矩阵的形式输出给专门的DSP处理芯片。
而对于CMOS传感器，上述工作流程就完全不适用了。
CMOS传感器中每一个感光元件都直接整合了放大器和模数转换逻辑，当感光二极管接受光照、产生模拟的电信号之后，电信号首先被该感光元件中的放大器放大，然后直接转换成对应的数字信号。
换句话说，在CMOS传感器中，每一个感光元件都可产生最终的数字输出，所得数字信号合并之后被直接送交DSP芯片处理—问题恰恰是发生在这里，CMOS感光元件中的放大器属于模拟器件，无法保证每个像点的放大率都保持严格一致，致使放大后的图像数据无法代表拍摄物体的原貌—体现在最终的输出结果上，就是图像中出现大量的噪声，品质明显低于CCD传感器。
3.1.3CMOS集成电路特点
CMOS传感器是当前被普遍采用图像传感器之一，是利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据。
在CMOS传感器中，每个象素都会邻近一个放大器A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据辒出，它适合大规模批量生产，适用于要求小尺寸、低价位、摄像质量无过高要求的应用。
随着技术的发展，CMOS图像传感器正在向高灵敏度、高分辨率、高动态范围、集成化、数字化、智能化的“片上相机”解决方案方向发展。
芯片加工工艺不断发展,从0.5μm→0.35μm→0.25μm→0.18μm,接口电压也在不断降低,从5V→3.3V→2.5V/3.3V→1.8V/3.3V。
研究人员致力于提高CMOS图像传感器的综合性能,缩小单元尺寸,调整CMOS工艺参数,将数字信号处理电路、图像压缩、通讯等电路集成在一起,并制作滤色片和微透镜阵列,以实现低成本、低功耗、低噪声、高度集成的单芯片成像微系统。
图像传感器选用CMOS图像传感器OV7670。
它体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。
通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影响数据。
该产品VGA图像最高达到30帧/秒。
功耗低：
CMOS集成电路采用场效应管，且都是互补结构，工作时两个串联的场效应管总是处于一个管导通，另一个管截止的状态，电路静态功耗理论上为零。
实际上，由于存在漏电流，CMOS电路尚有微量静态功耗。
单个门电路的功耗典型值仅为20mW，动态功耗（在1MHz工作频率时）也仅为几mW。
范围宽：
CMOS集成电路供电简单，供电电源体积小，基本上不需稳压。
国产CC4000系列的集成电路，可在3~18V电压下正常工作。
逻辑摆幅大：
CMOS集成电路的逻辑高电平“1”、逻辑低电平“0”分别接近于电源高电位VDD及电影低电位VSS。
当VDD=15V，VSS=0V时，输出逻辑摆幅近似15V。
因此，CMOS集成电路的电压电压利用系数在各类集成电路中指标是较高的。
力强：
MOS集成电路的电压噪声容限的典型值为电源电压的45%，保证值为电源电压的30%。
随着电源电压的增加，噪声容限电压的绝对值将成比例增加。
对于VDD=15V的供电电压（当VSS=0V时），电路将有7V左右的噪声容限。
输入阻抗高：
MOS集成电路的输入端一般都是由保护二极管和串联电阻构成的保护网络，故比一般场效应管的输入电阻稍小，但在正常工作电压范围内，这些保护二极管均处于反向偏置状态，直流输入阻抗取决于这些二极管的泄露电流，通常情况下，等效输入阻抗高达103~1011Ω，因此CMOS集成电路几乎不消耗驱动电路的功率。
温度稳定性能好：
于CMOS集成电路的功耗很低，内部发热量少，而且，CMOS电路线路结构和电气参数都具有对称性，在温度环境发生变化时，某些参数能起到自动补偿作用，因而CMOS集成电路的温度特性非常好。
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