基于FPGA摄像头图像采集显示系统

　　本系统主要由FPGA主控模块、图像采集模块、图像存储模块以及图像显示模块等模块组成。其中图像采集模块选择OV7670摄像头模块，完成对视频图像的采集和解码功能，并以RGB565标准输出RGB 5:6:5信号；图像处理模块选用的FPGA是Altera 公司生产的Cyclone IV EP4CE10F17C8芯片，完成对整个系统的控制，将采集到的视频图像数据处理、存储以及发送到LCD显示屏上。图像存储模块使用256M存储空间的SDRAM进行视频图像数据存储。图像显示模块采用TFT4.3寸LCD液晶显示器显示视频图像。编程语言采用VHDL语言。

　　由于LCD片内RAM太小，显示不了这么大的分辨率图像，因此，需要将图像数据缓存到SDRAM当中。根据OV7670摄像头VGA格式，即两个字节共16位表示一位像素点。因此，以16位进行缓存到SDRAM当中。本FPGA使用的时钟为50MHZ，芯片EP4CE10F17C8 片内自带4个PLL（锁相环），可以用于分频和倍频。因此，可以通过软件进行设计。分频为25MHZ用于液晶工作时钟，24MHZ用于摄像头工作时钟。倍频为100MHZ用于SDRAM工作时钟。

　　第一部分摄像头工作原理

　　OV7670摄像头寄存器配置采用的通信方式为SCCB通信（兼容I2C通信），I2C通信方式和SCCB通信方式非常类似。IIC总线是philips公司推出的新一代串行通信标准总线。它仅靠两根线实现全双工通信：SDA（数据线），SCL（时钟线）。I2C通信方式如下：

　　写时序：

　　读时序：

　　I2C时序读写分析：

　　1、start表示启动总线：在时钟SCL为高电平期间，数据线SDA由高电平拉低，启动I2C总线。

　　2、device_id：I2C总线是个多主控总线，主机和任何一个从设备之间都可以形成主线，最后一位表示读写操作码，0-写，1-读；(OV7670设备地址为0x42，即0x42为写，0x43为读)。

　　3、ack：写操作码发送完主机释放总线，从机返回一个应答信号给主机表示写入数据完成。

　　4、waddr：表示寄存器地址；raddr：表示写对应的寄存器数据

　　5、wdata：表示写寄存器数据；rdata：表示读对应的寄存器数据。

　　6、stop：在时钟SCL为高电平期间，数据线SDA由低电平拉高，关闭I2C总线。

　　7、由于I2C总线支持连续写，故写完地址之后不需要再发送起始信号，读就需要重新发起始信号。

　　OV7670摄像头的工作原理：

　　1、首先判断摄像头是否正常工作

　　通过读取寄存器PID（厂商高位识别号）、VER（厂商低位识别号）、MIDH（厂商识别字节高位）、MIDL（厂商识别字节低位）的默认值来进行判断摄像头是否能够正常工作。

PID地址为：0x0A,默认值为：0x76

VER地址为：0x0B,默认值为：0x73

MIDH地址为：0x0C,默认值为：0x7F

MIDL地址为：0x0D,默认值为：0xA2

　　2、当摄像头正常工作后，进行摄像头寄存器配置

　　主要是配置成以下模式：

　　VGA分辨率（640*480），RGB565模式，水平成像，关闭PLL分频，直接使用外部时，PCLK正常模式，不分屏XCLK=PCLK，不设置彩条等等。

寄存器名称	地址	数据
MIDH(只读)	0x0C	0x7F(判断是否相等)
MIDL(只读)	0x0D	0XA2(判断是否相等)
TSLB（写）	0x3A	0x04
COM15	0x40	0xd0
COM7	0x12	0x04
……………………
COM11	0x3b	0x42

通过I2C通信方式，读取寄存器MIDH（厂商识别字节高位）、MIDL（厂商识别字节低位）的默认值来判断摄像头是否正常工作。然后配置寄存器。从寄存器TSLB到寄存器com11，一共配置了166个寄存器（详细请见0V7670摄像头数据手册）。

　　3、摄像头图像数据的读取

　　当完成对摄像头寄存器配置后，就可以对摄像头模块进行图像数据的采集。主要通过引脚HREF、VSYNC、PCLK、XCLK以及数据引脚data0~data7来对图像数据进行读取。

一行图像数据获取时序图如下：

　　PCLK为像素时钟，一个时钟周期输出一个字节的数据，由于前面将摄像头分辨率配置为RGB565（640*480）格式，因此，前后两个字节组成16位表示一个像素点。由于一行图像数据有640个像素点，故需要读取640*2个像素时钟周期的数才表示一行图像数据获取完成。

　　一帧图像数据获取时序图如下所示：

　　根据VGA格式，像素为640*480，因此，需要获取完480行图像数据才表示一帧。

　　第二部分：SDRAM工作原理

　　A0~A11：地址线（行列共用地址线），BA0~BA1：用来选择L-BANK的地址线
　　SCLK：时钟引脚，SCKE：时钟有效引脚
　　nSCS：芯片选择，nRAS：行地址选通引脚，nSCAS：列选通引脚，WE：写允许
　　DQ0~DQ15为数据引脚。

　

　　SDRAM 并不像SRAM，可以在一个Cycle 内完成一个Access,SDRAM 的Accesses过程分做几个Command，而且通常要3~7 个左右的Cycle 才能完成，我们需要执行一连串的动作才能开始读写：

　　　　　　1）初始化RAM 内的寄存器和存储单元。
　　　　　　2）SDRAM Controller 接收到Data，分析Address，用高位的Address(Row address)进行Active 的动作。
　　　　　　3）SDRAM Controller 用低位Address(Column address) 进行WRITE 或READ。
　　SDRAM 根据Row address 和Column address 完成读写操作。
　　由于SDRAM 的电气特性，每隔一段时间存储单元的信息会衰减到无法辨认，所以一段时间之内，要执行Refresh 的动作，以确保信息的正确性，而执行这个动作是依靠Selfrefresh和Auto refresh 两个Command 来完成的。下面具体讲一下每个操作的特点及时序。

　　1、芯片初始化

　　在SDRAM 芯片内部还有一个逻辑控制单元，并且有一个模式寄存器为其提供控制参数。因此，每次上电时（开机时）SDRAM 都要先对这个控制逻辑核心进行初始化。有关预充电和刷新的含义在下文有讲述，关键的阶段就在于模式寄存器（MR，Mode Register）的设置，简称MRS（MR Set），寄存器的信息由地址线来提供。

　　本设计将模式寄存器配置为BA<=”00”,A<=”000000000000”;即：选择突发读突发写操作模式、潜伏期保留、选择顺序传输的突发传输方式、突发长度为1。配置完成模式寄存器之后，就开始了进入正常的工作状态。

　　2、行激活有效

　　初始化完成后，要想对一个L-Bank 中的阵列进行寻址，首先就要确定行（Row），使之处于活动状态（Active），然后再确定列。虽然之前要进行片选和L-Bank 的定址，但它们与行有效可以同时进行。

　　从图中可以看出，在CS#、L-Bank 定址的同时，RAS（Row Address Strobe，行地址选通脉冲）也处于有效状态。此时An 地址线则发送具体的行地址。如图中是A0-A11，共有12个地址线，由于是二进制表示法，所以共有4096 个行（2^12 =4096），A0-A11 的不同数值就确定了具体的行地址。行地址确定之后，就要对列地址进行寻址了。在SDRAM 中，行地址与列地址线是共用的。

　　因为没有一个信号是发送读或写的明确命令的，而是通过芯片的可写状态的控制来达到读/写的目的。显然WE#信号就是一个关键。WE#无效时，当然就是读取命令。

　　SDRAM工作流程图：

　　在实时视频采集系统中，为了保证数据的稳定性和连续性，通常采用乒乓操作对SDRAM进行读写操作。

　　第三部分：LCD工作原理

　　LCD主要由垂直同步脉冲（VS）和水平同步脉冲（HS）来分别控制帧显示与行显示，总体时序图如下：

　　扫描原理如下图所示：

　　LCD驱动显示时序图如下：

　　设计两个计数器来表示VS和HS，由于一帧图像分辨率为640*480，因此，当HS=640时，表示一行图像数据，接着VS加1，传输第二行图像数据，当VS=480时，表示传输完一帧图像数据。因此LCD就能够显示一帧图像。
　　当需要从SDRAM读取一个像素点时，需要LCD发送一个标志位到SDRAM，表示开始读取图像像素点开始显示图像。由于之前摄像头配置的图像模式为RGB565格式，16位表示一个像素点。也就是说R为高5位，G为中间6位，B为最低5位。由于LCDRGB分别为8位，因此，需要将一个像素点的16位拆开，分别送给LCD中的RGB上。其余位补0即可。