基于CMOS图像传感器的视频采集系统设计

摘要：提出了一种采用Altera公司CycloneⅡ系列的FPGA作为主控芯片，采用OV7670这款CMOS图像传感器作为视频信号源并采用SRAM(静态随机存储器)作为数据缓存的实用方案，实现了对图像传感器寄存器配置、图像传感器输出信号采集、图像数据格式转换、图像数据缓存及最终在VGA显示器上进行图像显示的一系列过程。该视频采集系统设计能够很好地满足实时图像的输出需求。
关键词：视频采集；OV7670；FPGA；SRAM；VGA

CMOS与CCD传感器是目前被普遍采用的2种图像传感器。CMOS图像传感器可通过CMOS(互补金属氧化物半导体)技术将像素阵列与外围支持电路(如图像传感器核心、单一时钟、所有的时序逻辑、可编程功能和A／D转换器)集成在同一块芯片上。与CCD(电容耦合器件)图像传感器相比，CMOS图像传感器将整个图像系统集成在一块芯片上，具有体积小、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制等优点，并且可通过I2C，SPI等接口配置其工作方式等功能，可控性强。所以CMOS图像传感器在消费类电子、汽车电子、工业控制、图像处理等领域的应用越来越广泛。
通常视频数据流需要处理的数据量大，而且对于实时性的要求也很高，图像的采集和数据处理速度直接影响后续的图像显示质量。而可编程逻辑器件FPGA的快速发展使之在视频图像采集及图像的无损传输领域具有得天独厚的优势。因此，本系统针对OV7670这款CMOS图像传感器，采用Altera公司CycloneⅡ系列的FPGA作为主控芯片，来实现视频数据的无损传输及显示。

1 系统总体结构和工作原理
本视频采集系统采用OmniVision公司的OV7670数字图像传感器提供数字视频信号，采用Altera公司CycloneⅡ系列的FPGA作为主控芯片，并采用单片SRAM(静态随机存储器)作为数据缓存，将从FPGA输出的数字信号经过D／A转换换后输入到VGA显示器上进行显示。其总体结构框图如图1所示。

系统的工作原理为：系统上电后，FPGA通过标准SCCB(Serial Camera Control Bus)接口对图像传感器芯片的控制寄存器进行配置，设置它的工作方式(如输出数据格式、输出像素时钟、曝光时间等)，在本系统中将图像传感器输出图像格式设置为RGB565格式；对芯片初始化完毕后，FPGA为图像传感器提供25 MHz的主时钟，实时读出图像传感器的行、帧同步信号以及像素时钟和8位图像数据信号；FPGA中数据采集与格式转换模块将读入的图像数据实时两两拼接转换成16位RGB数据，由于图像数据要进行跨时钟域传输，需要由缓存控制模块中的FIFO进行缓冲，然后送到SRAM存储，同时VGA控制模块产生VGA显示时序，在需要将视频图像显示时由VGA控制模块产生读信号，通过FIFO从SRAM中读出图像数据，图像数据最终经D／A转换送到VGA显示器进行显示。

2 系统各模块介绍
2．1 图像传感器OV7670
本视频采集系统采用OmniVision公司的OV7670这款CMOS图像传感器来采集视频，为系统提供数字视频信号。
OV7670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，可以输入整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。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。而SCCB是和I2C相同的一个协议。在本系统中采用Verilog语言描述的I2C配置模块对OV7670的控制寄存器进行配置。
OV7670共有201个可供配置的控制寄存器，下面对几个比较重要的控制寄存器进行说明。
CLKRC(寄存器地址0x11)：配置OV7670输出像素时钟相对于外部(本系统中为FPGA)提供给OV7670图像传感器主时钟的分频。OV7670输出的像素时钟需要输入FPGA用作数据处理的时钟。
COM7(寄存器地址0x12)：设置图像的输出格式，240)RGB565格式等。可以将图像分辨率配置成从40×30到VGA分辨率的各尺寸，并且可以将图像数据格式配置成YUV，RGB565，Bayer RGB RAW，Processed Bayer RAW等。这个寄存器的最高位是用来软件复位所有寄存器的值的。
SCALING_XSC(寄存器地址0x70)和SCAUNG_YSC(寄存器地址0x71)：主要在调试的时候使用，分别将SCALING_XSC和SCALING_YSC的最高位配置为1和0，就可以让图像传感器输出8色彩带。这2个寄存器的其他位分别用于设置图像的水平缩放系数和垂直缩放系数。