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1、目 录第1章 绪论51.1FPGA国内外现状及发展趋势51.2 FPGA的原理以及与单片机相比的优点61.3 FPGA作为RAM7第2章 系统方案82.1 FPGA开发环境82.2 图像采集82.2.1 图像传感器92.2.3 图像采集系统92.3 数据接口设计10第3章 系统硬件设计113.1 图像传感器113.1.1 CCD与CMOS113.1.2 CCD/CMOS工作原理143.1.3 CMOS集成电路特点163.1.4 通过SCCB 总线设置OV7670 的帧频173.1.5 图像数据的采集193.2 OV7670203.3 OV7670与FPGA的接口电路213.4 SCCB总线22
2、3.5 SRAM与FPGA的接口电路23第4章 系统软件设计254.1 现场可编程门阵列器件254.2 CMOS寄存器配置时序的VHDL描述254.3 系统软件254.3.1 初始化254.3.2 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
3、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。1.1 FPGA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
4、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
5、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。1.2 FPGA的原理以及与单片机相比的优点FPGA (Field Programm
6、able Gate Arra : 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（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）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
7、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
8、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
9、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
10、,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。1.3 FPGA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
11、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2.1 FPGA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
12、。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
13、(NonRecurdng Enginneering,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
14、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
15、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。SRAM(A)地址 数据/ 总线 地址 WR RD CS 总线 FPGA的图像数据接收缓存板OV7670图像数据采集版图像数据READYPclkDclkVsync
