基于FPGA和USB 2．0的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：隨著技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)檢測技術(shù)受到人們的重視，其中圖像檢測由于其具有直觀，方便，信息量較全面而使得它在工業(yè)檢測方面具有重要的應(yīng)用。以FPGA作為控制核心，設(shè)計(jì)了一個小型圖像采集系統(tǒng)。通過FPGA實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的初始化、圖像數(shù)據(jù)采集、存儲、USB接口芯片的控制；使用USB 2．0接口實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)傳輸；使用VC++編寫上位機(jī)程序?qū)D像進(jìn)行實(shí)時顯示。經(jīng)過測試，整個系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：FPGA；CMOS圖像傳感器；USB 2．0；SCCB

0 引言
在當(dāng)今信息化的時代，在機(jī)器獲取現(xiàn)實(shí)世界信息方面，圖像由于具有信息面全、直觀、方便直接的特點(diǎn)而受到廣泛的研究。圖像采集與處理系統(tǒng)在工業(yè)檢測、智能控制、醫(yī)學(xué)成像、安全監(jiān)控、航空航天等方面得到了廣泛的應(yīng)用。人們在圖像獲取渠道上不斷的提升圖像傳感器的性能，改進(jìn)圖像獲取的硬件組件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；同時在圖像的處理上提出一系列的新型或是改進(jìn)的處理技術(shù)來改進(jìn)圖像的處理質(zhì)量與處理速度，以便能夠滿足當(dāng)前應(yīng)用對圖像質(zhì)量、實(shí)時性能、精準(zhǔn)控制等方面的要求。
現(xiàn)有的圖像傳感器芯片有CCD和CMOS兩種類型。CCD圖像傳感器具有良好的性能，但其外部電路復(fù)雜，不適合于低成本系統(tǒng)；而隨著CMOS集成電路工藝技術(shù)的發(fā)展，CMOS圖像傳感器得到了快速的發(fā)展，與CCD相比，它具有制造工藝成熟、易集成、低成本、低功耗、體積小以及使用簡單等優(yōu)點(diǎn)。隨著集成電路工藝技術(shù)的提高，CMOS圖像傳感器在分辨率、噪聲等方面都有顯著的改善，使得它在越來越多的領(lǐng)域上得到應(yīng)用，它適用于低功耗的小型圖像采集系統(tǒng)。
目前大量的圖像采集系統(tǒng)采用CPLD或者單片機(jī)作為圖像采集的時序控制接口，如文獻(xiàn)，或者是用DSP作為圖像處理的主處理器，如文獻(xiàn)。這二者在各自的方面都有各自的優(yōu)勢，但它們的專用性太強(qiáng)，CPLD與單片機(jī)在時序控制方面有優(yōu)勢而圖像處理能力弱，DSP則是圖像處理能力強(qiáng)而時序控制能力差。FPGA是介于專用集成電路與原有的可編程邏輯器件之間的一種半定制電路器件。它具有豐富的I／O接口、低功耗、兼容CMOS和TTL電平、可重復(fù)擦寫，易于在線調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，可以使系統(tǒng)開發(fā)具有周期短，風(fēng)險小，費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。它的時序控制能力強(qiáng)，在并行處理的算法方面具有較大優(yōu)勢，具有較強(qiáng)的圖像處理能力，同時在嵌入式系統(tǒng)方面的應(yīng)用也具有較好的前景。
USB總線接口技術(shù)是一種PC與外圍設(shè)備進(jìn)行高速通信的接口，它具有可以即插即用、連接方便簡單、易于擴(kuò)展外圍設(shè)備以及高速傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，適用于有大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊?，滿足圖像傳輸數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，同時作為一種通用串行總線，它的使用使得系統(tǒng)能夠被移植到更多的應(yīng)用場合當(dāng)中。

1 系統(tǒng)硬件組成
系統(tǒng)硬件的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，它包括有搭載有OV7620圖像傳感器的C3188模組、FPGA、SRAM存儲器、USB 2．0接口芯片、以及PC端上位機(jī)幾部分組成。

在系統(tǒng)上電時，由FPGA通過模擬SCCB總線，完成對圖像傳感器的初始化工作；在完成初始化工作以后，F(xiàn)PGA開始在OV7620產(chǎn)生的時序信號控制下進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的采集，并將之存儲在SRAM當(dāng)中；當(dāng)存滿一幀的圖像后，在FPGA的控制下，圖像數(shù)據(jù)由SRAM通過CY7C68013A傳送到PC端，USB芯片被設(shè)置在從模式的工作狀態(tài)下；上位機(jī)程序接收來自USB芯片的數(shù)據(jù)并將之實(shí)時的顯示，完成圖像數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

2 OV7620的性能參數(shù)及初始化
OV7620是CMOS彩色／黑白圖像傳感器。它支持連續(xù)和隔行兩種掃描方式，VGA與QVGA兩種圖像格式；最高像素為664×492，幀速率為30 f／s；數(shù)據(jù)格式包括YUV，YCrCb，RGB三種，能夠滿足一般圖像采集系統(tǒng)的要求。OV7620具有豐富的編程功能，應(yīng)用開發(fā)者可以通過SCCB控制總線來對芯片相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到控制輸出圖像大小、增益、顏色、爆光時間、輸出格式等，以使所獲得的圖像滿足應(yīng)用的需要。
SCCB接口是采用一種簡單、雙向二線制的同步串行總線。它是簡化的I2C協(xié)議，其中SIO-1是串行時鐘輸入線，SIO-O是串行雙向數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA。圖中其中的SDA，SCL兩根線由于是開漏輸出，因此需要有上拉電阻，在本系統(tǒng)中接1 kΩ的上拉電阻。SCCB的總線時序與I2C基本相同，它的響應(yīng)信號ACK被稱為一個傳輸單元的第9位，分為Don’t care和NA。Don’t care位由從機(jī)產(chǎn)生；NA位由主機(jī)產(chǎn)生，由于SCCB不支持多字節(jié)的讀寫，NA位必須為高電平。另外，SCCB沒有重復(fù)起始的概念，因此在SCCB的讀周期中，當(dāng)主機(jī)發(fā)送完片內(nèi)寄存器地址后，必須發(fā)送總線停止條件。不然在發(fā)送讀命令時，從機(jī)將不能產(chǎn)生Don’t care響應(yīng)信號，其二線制的控制時序與I2C相仿，如圖2所示。

在FPGA當(dāng)中，采用普通IO口模擬SCCB的時序，由于本系統(tǒng)只需要在上電時對圖像傳感器進(jìn)行初始化的參數(shù)設(shè)置，而SCCB的寫時序與I2C的寫時序完全兼容，因此，在程序中只需要模擬I2C的單字節(jié)寫過程。C3188模組與FPGA的連接關(guān)系圖如圖3所示。