基于FPGA的高速图像采集系统设计
在低速的数据采集系统中，往往采用单片机或者DSP进行控制；而对于图像采集这种高速数据采集的场合，这种方案就不能满足需要。因此这种方案极大浪费了单片机或DSP的端口资源且灵活性差；若改用串口方式收集数据，则一方面降低了数据采集的速度，另一方面极大地耗费CPU的资源。本系统采用FPGA作为数据采集的主控单元，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、成本低、灵活性强。为了增加缓冲功能，系统在FPGA外扩展了256Mb的RAM，不仅增大了缓冲区容量，而且极大地降低了读写频率，有效地减轻了上位机CPU的负担。在图像数据接口中，比较常见的是VGA、PCI―Express，而这些接口扩展性差、成本高。本系统采用高速的USB接口作为与上位机通信的端口，速度快、易安装、灵活性强。
1 系统框图
系统框图如图1所示。FPGA控制单元采用A1tera公司Cyclone II系列的EP2C5F256C6，主要由4个部分组成――主控模块、CMOS传感器接口、RAM控制器以及EZ―USB接口控制器。传感器接口负责完成SCCB时序控制，RAM控制器用于实现RAM读写与刷新操作的时序，USB接口模块完成主控模块与EZ―USB之间的数据读写；而主控模块负责对从EZ―USB部分接收过来的上位机命令进行解析，解析完命令后产生相应的信号控制各个对应模块，如CMOS传感器传输的图像格式、RAM的读写方式、突发长度等。
2 OV7620模块设计
图像传感器采用OV7620，接口图如图2所示。该传感器功能强大，提供多种数据格式的输出，自动消除白噪声，白平衡、色彩饱和度、色调控制、窗口大小等均可通过内部的SCCB控制线进行设置。OV7620属于CMOS彩色图像传感器。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30fps；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种。0V7620支持SCCB设置模式和自动加载默认设置模式，其选择由SCCB控制。本系统只需要支持SCCB模式，因此在设计的时候将SBB接地。上电后FP―GA通过SCCB总线对OV7620进行设置，系统也可接受上位机发过来命令，设置其工作模式。SCCB总线时序类似于I2C总线时序，SIO一O相当于SDA，SIO一1相当于SCL。OV7620工作于从模式，在写寄存器的过程中先发送OV7620的ID地址，然后发送写数据的目的寄存器地址，最后发送要写入的数据。
OV7620功能寄存器的地址为0x00～0x7C，通过设置相应的寄存器，可以使它工作于不同的模式。例如，设置OV7620为连续扫描、RGB原始数据16位输出方式，需要设置寄存器0x12、Oxl3、Ox20、Ox28分别为OX2D、0x01、Ox02、0x20。另外，图像输出的关键问题是帧同步，VO7620传感器中VSYNc、HSYNC、HREF、PCLK分别表示垂直同步、水平同步、参考信号和像素输出同步，可以通过它们之间的配合使用，定位出每帧输出图像的起始位和结束位。
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