【正文】 mem_sel = 0。mem_sel = 1。mem_sel = 0。mem_sel = 1。mem_sel = 0。end i:begin if(vsync) next = b。end f:begin if(!vsync) next = g。 else if( href) next = d。 (存儲器地址清零信號，高電平有效 ) mem_sel = 0。 end (選通視頻寄存器，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù) ) 該部分程序仿真如圖 。oeb = 1。b00000000。data = 839。b0100。end (設(shè)置寄存器 HWCTL) b: begin a = 439。 (寄存器寫使能 ) output oeb。在各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)其各自功能后 , 然后到頂層設(shè)計(jì)當(dāng)中 , 再完成頂層的 VHDL 設(shè)計(jì)輸入、功能仿 真、綜合、后仿真 , 直至最后達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 SRAM與 FPGA的接口電路 由于 FPGA芯片內(nèi)部的 RAM 資源有限，不能存儲過多的視頻數(shù)據(jù)并對其進(jìn) 20 行處理，因此在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，外加了兩片 SRAM 芯片來輔助 FPGA 進(jìn)行視頻信號采集。對于每一個(gè)需更改的寄存器，都采用三相寫數(shù)據(jù)的方法。 SCCB 的寫周期直接使用 I2C 總線協(xié)議的寫周期時(shí)序 。 SCCB總線 SCCB是簡化的 I2C協(xié)議， SIOl 是串行時(shí)鐘輸入線， SIOO是串行雙向 數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于 I2C 協(xié)議的 SCL和 SDA。在一幀圖像中 , 即 VSYNC 為低電平期間 , HREF 出現(xiàn) 480 次高電平。在采集圖像的過程中 , 最主要的是判別一幀圖像數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束時(shí)刻。 OV7670 芯片上沒有 SCCE 引腳 , 但也可實(shí)現(xiàn)單主對單從方式的通訊 , 控制總線規(guī)定的條件如下 : 當(dāng) SIO_C 為高電平時(shí) , 如 SIO_D 產(chǎn)生一個(gè)下降沿表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_始 , 如 SIO_D 產(chǎn)生一個(gè)上升沿表明數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)束 。由于 CMOS集成電路的輸入阻抗極高，因此電路的輸出能力受輸入電容的限制，但是，當(dāng) CMOS集成電路用來驅(qū)動同類型，如不考慮速度一般可以驅(qū)動 50個(gè)以上的輸入端。因此， CMOS集成電路的電壓電壓利用系數(shù)在各類集成電路中指標(biāo)是較高的。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。在 CMOS傳感器中，每個(gè)象素都會鄰近一個(gè)放大器 A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)辒出，它適合大規(guī)模批量生產(chǎn)，適用于要求小尺寸、低價(jià)位、攝像質(zhì)量無過高要求的應(yīng)用。不管是哪一種技術(shù)方案，都要四個(gè)像點(diǎn)才能夠構(gòu)成一個(gè)彩色像素，這一點(diǎn)大家務(wù)必要預(yù)先明確。 11 CCD/CMOS工作原理 無論是 CCD還是 CMOS，它們都采用感光元件作為影像捕獲的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一個(gè)感光二極管（ photodiode），該二極管在接受光線照射之后能夠產(chǎn)生輸出電流，而電流的強(qiáng)度則與光照的強(qiáng)度對應(yīng)。如天文觀察、衛(wèi)星成像、高分辨率數(shù)字照片、廣播電高性能工業(yè)攝像機(jī)、大部分科學(xué)與醫(yī)學(xué)攝像機(jī)等應(yīng)用。通常的 CCD傳感器由于采用順序傳輸電荷，組成相機(jī)的電路芯片有 3~8片，信號讀出速率不超過 70MPIXELS/S。由于采用低電阻率硅片須保持低工作電壓，像元耗盡區(qū)深度只有 12MM，其吸收截止波長小于 650nm，導(dǎo)致像元對紅外及近紅外光吸收困難。 圖 系統(tǒng)框圖 OV7670 CSB WEB OEB HREF VSYNC PCLK A[3:0] DATA[7:0] FPGA CSB WEB OEB HREF VSYNC PCLK A[3:0] DATA[7:0] SRAM(A) SRAM(B) 微處理器 FPGA的圖像 數(shù)據(jù)接收緩存板 SRAM(A) OV7670 圖像數(shù)據(jù)采集版 SRAM(B) 9 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 圖像傳感器 CCD與 CMOS CCD與 COMS傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（ photodiode）進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字 數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。圖像采集卡是常用的圖像輸入設(shè)備，通常占用 PC機(jī)總線的一個(gè)插 槽。 可編程邏輯器件的價(jià)值在于其能夠大大縮短電子產(chǎn)品制造商的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，隨著可編程邏輯器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可編程邏輯器件一定會在數(shù)字設(shè)計(jì)領(lǐng)域進(jìn)一步普及。由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。 3),FPGA 內(nèi)部程序并行運(yùn)行 ,有處理更復(fù)雜功能的能力 ： 單片機(jī)程序是串行執(zhí)行的 ,執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條 ,在處理突發(fā)事件時(shí)只能調(diào)用有限的中斷資源 。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此， FPGA 能夠反復(fù)使用。可以毫不夸張的講， FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能 CPU,下至簡單的 74 電 路，都可以用 FPGA 來實(shí)現(xiàn)。今天，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員面對更加嚴(yán)格的系統(tǒng)總體功耗限制。在這方面，作為半導(dǎo)體產(chǎn)品的重要一支 ——可編程 邏輯器件也不例外。圖像采集系統(tǒng)在當(dāng)今工業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)各個(gè)領(lǐng)域都有著極其廣泛的應(yīng)用，如使用在遠(yuǎn)程監(jiān)控、安防、遠(yuǎn)程抄表、可視電話、工業(yè)控制、 圖像模式識別、醫(yī)療器械等各個(gè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。而應(yīng)用的變化也使FPGA產(chǎn)品近幾年的演進(jìn)趨勢越來越明顯：一方面， FPGA供應(yīng)商致力于采用當(dāng)前最先進(jìn)的工藝來提升產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)品的成本；另一方面，越來越多的通用 IP（知識產(chǎn)權(quán)）或客戶定制 IP 被引入 FPGA中，以滿足客戶產(chǎn)品快速上市的要求。無線通信、工業(yè)、科學(xué)及測量、醫(yī)療設(shè)備、音視頻廣播、汽車、計(jì)算、存儲應(yīng)用和快速發(fā)展的消費(fèi)品市場，都成為 FPGA業(yè)務(wù)發(fā)展的重點(diǎn)領(lǐng)域。用戶可對 FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。 FPGA是由存放在片內(nèi) RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時(shí)需要對片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。可以說， FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 當(dāng)用戶通過原理圖或 HDL 語言描述了一個(gè)邏輯電路以后， PLD/FPGA 開發(fā)軟件會自動計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表 ( 即結(jié)果 ) 事先寫入 RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。可編程邏輯器件的兩個(gè)主要類型是：現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件 (CPLD)，與 CPLD 相比， FPGA 可提供更高的邏輯密度、更豐富的特性和更高的性能。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。 OV7670圖像數(shù)據(jù)采集板主要完成圖像數(shù)據(jù)采集，其圖像數(shù)據(jù)總線、幀圖像數(shù)據(jù)時(shí)鐘、幀同步信 號、行同步信號與 FPGA圖像數(shù)據(jù)接收緩存板相連， FPGA協(xié)調(diào)兩片 SRAM“乒乓模式 ”的讀寫操作，并完成模塊的外部接口。 CCD圖像傳感器靈敏度較 COMS圖像傳感器高 30%50%。 CMOS傳感器設(shè)計(jì)者采用在不同時(shí)間對不同行進(jìn)行曝光的滾動快門方式解決此問題，這種方式減少了像元中是晶體管，提高了占空比，但在高性能應(yīng)用中運(yùn)動目標(biāo)會出現(xiàn)明顯的圖像變形，因此只適合 某些商業(yè)應(yīng)用。 綜上所述： CMOS與 CCD圖像傳感器相比，具有功耗低、攝像系統(tǒng)尺寸小，可將信號處理電器與 CMOS圖像傳感器集成在一個(gè)芯片上等優(yōu)點(diǎn)?？梢?CMOS與 CCD圖像傳感器互為補(bǔ)充，不會出現(xiàn)誰消滅誰的結(jié)局，在可預(yù)見的未來將并存發(fā)展，共同繁榮圖像傳感器市場。 每個(gè)感光元件對應(yīng)圖像傳感器中的一個(gè)像點(diǎn)，由于感光元件只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法捕獲色彩信息，因此必須在感光元件上方覆蓋彩色濾光片。 CMOS 傳感器中每一個(gè)感光元件都直接整合了放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換邏輯，當(dāng)感光二極管接受光照、產(chǎn)生模擬的電信號之后，電信號首先被該感光元件中的放大器放大，然后直接轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的 數(shù)字信號。它體積小、工作電壓低，提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能。國產(chǎn)CC4000系列的集成電路，可在 3~18V電壓下正常工作。 溫度穩(wěn)定性能好：于 CMOS集成電路的功耗很低，內(nèi)部發(fā)熱量少，而且， CMOS電路線路結(jié)構(gòu)和電氣參數(shù)都具有對稱性，在溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，某些參數(shù)能起到自動補(bǔ)償作用，因而 CMOS集成電路的溫度特性非常好。 通過 SCCB 總線設(shè)置 OV7670 的幀頻 系統(tǒng)上電后需要對 CMOS 圖像傳感器進(jìn)行初始化 , 以確定采集圖像的開窗位置、開窗大小和黑白工作模式等。如果給連續(xù)的寄存器寫數(shù)據(jù) , 寫完一個(gè)寄存器后 ,OV7670 會自動把寄存器地址加 1, 程序可繼續(xù)向下寫 , 而不需要再 次輸入地址 , 從而三相寫數(shù)據(jù)變?yōu)榱藘上鄬憯?shù)據(jù) , 由于本系統(tǒng) 15 中只需要對有限個(gè)不連續(xù)寄存器的數(shù)據(jù)進(jìn)行更改 , 如果采用對全部寄存器都加以配置這一方法的話 , 會浪費(fèi)很多時(shí)間和資源 , 所以我們只對需要更改數(shù)據(jù)的寄存器進(jìn)行寫數(shù)據(jù)。 PCLK 是輸出數(shù)據(jù)同步信號。 最大幀率 30fpsVGA 靈敏度 (Luxsec) 信噪比 46 dB 動態(tài)范圍 52 dB 瀏覽模式 逐行 電子曝光 1行到 510行 像素面積 μm x μm 暗電流 12 mV/s at 60℃ Well capacity B 17Ke 影響區(qū)域 封裝尺寸 3785umx4235um 注釋： A: 如果使用內(nèi)部 LDO給核供電（ ),I/O電壓應(yīng)該是 ,否則必須使用外部 。不然在發(fā)送讀命令時(shí)，從機(jī)將不能產(chǎn)生 Don’t care響應(yīng)信號。 SCCB控制總線功能的實(shí)現(xiàn)完全是依靠 SIO_C、 SIO_D兩條總線上電平的狀態(tài)以及兩者之間的相互配合實(shí)現(xiàn)的。 SCCB總線傳輸?shù)膯雍屯Ｖ箺l件如圖 ： 圖 SCCB總線時(shí)序圖 過程：采用簡單的三相 (Phase)寫數(shù)據(jù)的方式，即在寫寄存器的過程中先發(fā)送 OV7670 的 ID 地址（ ID Address），然后發(fā)送寫數(shù)據(jù)的目地寄存器地址（ Sub_address），最后發(fā)送要寫入的數(shù)據(jù)（ Write Data） ,見圖 3。它是作為專用集成電路 (ASIC) 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的 , 解決了定制電路的不足 , 又克服了原有可編程門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。 (地址線 ) inout [7:0] data。oeb = 1。csb= 0。 web = 0。end(設(shè)置寄存器 MCT