基于FPGA和USB 2．0的数字图像采集系统设计

作者：时间：2012-02-08来源：网络收藏

摘要：随着技术的发展，工业检测技术受到人们的重视，其中图像检测由于其具有直观，方便，信息量较全面而使得它在工业检测方面具有重要的应用。以FPGA作为控制核心，设计了一个小型图像采集系统。通过FPGA实现CMOS图像传感器的初始化、图像数据采集、存储、USB接口芯片的控制；使用USB 2．0接口实现图像数据传输；使用VC++编写上位机程序对图像进行实时显示。经过测试，整个系统能够稳定工作，满足设计目标。
关键词：FPGA；CMOS图像传感器；USB 2．0；SCCB

0 引言
在当今信息化的时代，在机器获取现实世界信息方面，图像由于具有信息面全、直观、方便直接的特点而受到广泛的研究。图像采集与处理系统在工业检测、智能控制、医学成像、安全监控、航空航天等方面得到了广泛的应用。人们在图像获取渠道上不断的提升图像传感器的性能，改进图像获取的硬件组件与系统结构；同时在图像的处理上提出一系列的新型或是改进的处理技术来改进图像的处理质量与处理速度，以便能够满足当前应用对图像质量、实时性能、精准控制等方面的要求。
现有的图像传感器芯片有CCD和CMOS两种类型。CCD图像传感器具有良好的性能，但其外部电路复杂，不适合于低成本系统；而随着CMOS集成电路工艺技术的发展，CMOS图像传感器得到了快速的发展，与CCD相比，它具有制造工艺成熟、易集成、低成本、低功耗、体积小以及使用简单等优点。随着集成电路工艺技术的提高，CMOS图像传感器在分辨率、噪声等方面都有显著的改善，使得它在越来越多的领域上得到应用，它适用于低功耗的小型图像采集系统。
目前大量的图像采集系统采用CPLD或者单片机作为图像采集的时序控制接口，如文献，或者是用DSP作为图像处理的主处理器，如文献。这二者在各自的方面都有各自的优势，但它们的专用性太强，CPLD与单片机在时序控制方面有优势而图像处理能力弱，DSP则是图像处理能力强而时序控制能力差。FPGA是介于专用集成电路与原有的可编程逻辑器件之间的一种半定制电路器件。它具有丰富的I／O接口、低功耗、兼容CMOS和TTL电平、可重复擦写，易于在线调试等优点，可以使系统开发具有周期短，风险小，费用低的优点。它的时序控制能力强，在并行处理的算法方面具有较大优势，具有较强的图像处理能力，同时在嵌入式系统方面的应用也具有较好的前景。
USB总线接口技术是一种PC与外围设备进行高速通信的接口，它具有可以即插即用、连接方便简单、易于扩展外围设备以及高速传输等优点，适用于有大量数据传输的场合，满足图像传输数据量大的特点，同时作为一种通用串行总线，它的使用使得系统能够被移植到更多的应用场合当中。

1 系统硬件组成
系统硬件的整体结构如图1所示，它包括有搭载有OV7620图像传感器的C3188模组、FPGA、SRAM存储器、USB 2．0接口芯片、以及PC端上位机几部分组成。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/161153.htm

在系统上电时，由FPGA通过模拟SCCB总线，完成对图像传感器的初始化工作；在完成初始化工作以后，FPGA开始在OV7620产生的时序信号控制下进行图像数据的采集，并将之存储在SRAM当中；当存满一帧的图像后，在FPGA的控制下，图像数据由SRAM通过CY7C68013A传送到PC端，USB芯片被设置在从模式的工作状态下；上位机程序接收来自USB芯片的数据并将之实时的显示，完成图像数据的采集与传输。

2 OV7620的性能参数及初始化
OV7620是CMOS彩色／黑白图像传感器。它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30 f／s；数据格式包括YUV，YCrCb，RGB三种，能够满足一般图像采集系统的要求。OV7620具有丰富的编程功能，应用开发者可以通过SCCB控制总线来对芯片相关参数进行设置，以达到控制输出图像大小、增益、颜色、爆光时间、输出格式等，以使所获得的图像满足应用的需要。
SCCB接口是采用一种简单、双向二线制的同步串行总线。它是简化的I2C协议，其中SIO-1是串行时钟输入线，SIO-O是串行双向数据线，分别相当于I2C协议的SCL和SDA。图中其中的SDA，SCL两根线由于是开漏输出，因此需要有上拉电阻，在本系统中接1 kΩ的上拉电阻。SCCB的总线时序与I2C基本相同，它的响应信号ACK被称为一个传输单元的第9位，分为Don’t care和NA。Don’t care位由从机产生；NA位由主机产生，由于SCCB不支持多字节的读写，NA位必须为高电平。另外，SCCB没有重复起始的概念，因此在SCCB的读周期中，当主机发送完片内寄存器地址后，必须发送总线停止条件。不然在发送读命令时，从机将不能产生Don’t care响应信号，其二线制的控制时序与I2C相仿，如图2所示。