FPGA图像处理系列——基于ZEDBoard构建图像处理通路（Block Ram版本）

对于集FPGA和ARM于一体的Zynq系列平台来说，图像处理是Zynq平台主要的应用方向之一。图像采集部分是图像处理系统的重要组成部分，它 通过图像传感器将外部的图像信息采集进来，转换为数字信号存储到系统的帧存储器中。目前在工业图像采集领域，人们常用的两种图像传感器为CCD与CMOS图 像传感器。CCD一般输出带制式的模拟信号，需要经过视频解码器得到数字信号才能传入控制器中，而CMOS图像传感器直接输出数字信号，可以直接与控制器 进行连接。随着集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器像素单元的数量和采集速度都不断增大。由于CMOS器件的高速性，近年来，越来越多 的高速图像采集系统采用CMOS图像传感器作为图像采集器件。

常用CMOS传感器品牌以及选择：

Sony: 日产CMOS，高灵敏度和低噪声，偏重于摄影拍照，但开发的参考资料比较少；

Aptina：CMOS系统按拍照架构设计，开发流程较为繁琐，且价格偏高，成像品质性价比略高；

OmniVision：CMOS系统架构最适合图像采集，开发资料较充足，各系列间兼容性好。

 数字图像采集平台架构如图所示。系统通过CMOS传感器OV7725将图像高速采集进Zedboard并存储到BRAM，然后通过VGA控制模块将图像显示出来。

我们要在Vivado中实现以下功能：

l  驱动CMOS图像传感器OV7725，实现图像采集；

l  将图像存放到Block Ram中；

l  图像的VGA显示；

该实例将会涉及CMOS传感器的接口及驱动、CMOS图像传感器的寄存器参数配置、BRAM存放策略等方面。

1.OV7725的引脚以及驱动

   OV7725的引脚很多，但本系统中用到的OV7725模块只包含以下一些引脚：

D0~D9： CMOS输出的10位数据口.本实例只用到D2~D9。

RESET： CMOS输入信号，复位引脚，低电平有效。本实例将其置空

PWDN： CMOS输入信号，休眠模式选择，0为正常模式，1为休眠模式。本实例将其置空

PCLK：  CMOS输出的像素时钟

XCLK：  CMOS输入的时钟信号，本实例采用25MHz。

HREF：   CMOS输出的行同步信号

VSYNC： CMOS输出的帧同步信号

SIOC：   CMOS寄存器的IIC时钟输入

SIOD：   CMOS寄存器的IIC数据输入/输出

因为用到的引脚数量并不多，因此我们选择用Zedboard上JA，JB两组Pmod接口与OV7725模块相连。OV7725的驱动包含两个操作：1.配置寄存器 2.根据传入的时序信号（PCLK，HREF，VSYNC），对传入数据进行拼接，组合成RGB像素。

n  配置寄存器

OV7725的正常工作需要寄存器的正确配置。寄存器的配置遵从IIC协议，在PL提供的IIC时钟驱使下，向不同功能的寄存器地址写入数据。本实例构建了一个IIC的主模块，寄存器配置指令只需要两条即可：

0x1100;//11为CLKRC寄存器，设置为00值，采用内部时钟

0x1206;//分辨率设置为VGA 640x480，像素输出格式设置为RGB565

n  拼接数据得到像素RGB565

 OV7725像素格式为RGB565时，时序图如下：

当帧同步信号VSYNC出现有效边沿之后，在HREF为高电平时，第一个PCLK上升沿读取第一个byte（D7~D0）。此时要注意，这个byte并不代表第一个像素，而是第一个像素的R[4:0]以及G[5:3],第二个PCLK上升沿读取的byte则是第一个像素的G[2:0]以及B[4:0]。当第二个PCLK上升沿到来时，将这两个byte组合成一个完整的像素，就得到了第一个像素。以此类推，采集一行数据（640x2个数据），就得到640个像素值。当采集完480行的时候，就完成了一帧数据的采集。

由OV7725的VGA时序可知，每一行有效时间为640x2个pclk，无效时间为144x2个pclk，每一行花费时间为784x2个PCLK时钟；而每一帧总行数是510（有效行数是480）；因此采集一帧数据的时间是784*510x2个pclk的时间。

2.帧缓存(FrameBuffer)的实现

    为了方便进行显示，以及后续的图像处理，需要存储采集的图像。在vavado的IP catalog界面，在search 栏输入block mem,下方ip列表会显示出block memorygenerator,如图所示：

双击上图的蓝色区域，打开ip核定制界面。在Basic板块的Memory Type选项设置成Simple dual portram,然后在port A options 的port A width 设置成48bit,depth设置成76800.“enable port type”设置成 always enabled。在port B options 的port B width 设置成12bit,此时dept会自动设置成307200.同样，“enable port type”设置成 always enabled。

那么，读者朋友们会注意到刚才port A 的端口位宽是48bit。我们知道，要进行vga显示，zedboard的VGA部分R，G，B每个通道都是4bit，显示一个像素需要12bit。因此，我们存储一个像素采用的位宽也是12bit，一共存储的像素数量为640x480 = 307200个像素。既然这样，那为什么存进RAM的位宽不是12bit呢？这是因为，ip核的写入端深度允许的范围只有2-130172，而读端口就没有这种限制，为了存储一帧图像，存储的位宽就需要增加。我们需要另写一个像素整合存储到ram的机制，使连续的四个像素在存储之前先整合成一个12x4bit的变量。

OV7725的采集模块代码如下：

module ov7725_capture(

input pclk,

input vsync,

input href,

input[7:0] d,

output[18:0] addr,

output[47:0] dout_48bit,

output reg we

);

reg [15:0] d_latch;

reg [18:0] address;

reg [18:0] address_next; 

reg [1:0] wr_hold;   

reg [47:0] dout_48bit_reg;

reg [1:0] cnt;

initial d_latch = 16'b0;

initial address = 19'b0;

initial address_next = 19'b0;

initial wr_hold = 2'b0;

initial dout_48bit_reg = 48'b0;    

initial cnt = 2'b0;       

assign addr =    address;

always@(posedge pclk)begin

 if(vsync ==1) begin

          address <=19'b0;

          address_next <= 19'b0;

          wr_hold <=  2'b0;

          cnt <=  2'b0;

          end

       else begin

          address <= address_next;

          we      <= wr_hold[1];

          wr_hold <= {wr_hold[0] , (href &&( ! wr_hold[0])) };

          d_latch <= {d_latch[7:0] , d};

          if (wr_hold[1] ==1 )begin

             address_next <=address_next+1;

             if(cnt >= 3)

                cnt <= 0;

             else

                cnt <= cnt + 1;

             case (cnt)

                 0 : dout_48bit_reg[11:0]  <= {d_latch[15:12] , d_latch[10:7] ,d_latch[4:1] };

                 1 : dout_48bit_reg[23:12]<= {d_latch[15:12] , d_latch[10:7] , d_latch[4:1] };

                 2 : dout_48bit_reg[35:24]<= {d_latch[15:12] , d_latch[10:7] , d_latch[4:1] };

                 3 : dout_48bit_reg[47:36]<= {d_latch[15:12] , d_latch[10:7] , d_latch[4:1] };

             endcase;        

          end

       end;

 end

 assign  dout_48bit =  dout_48bit_reg;     

endmodule    

3.VGA显示的实现

本实例中实现的VGA模块顶视图如图所示：

VGA部分除了产生VGA信号，将像素信号接到VGA的RGB三通道以外，还有一个比较重要的功能，就是产生读frame buffer的地址信号frame_addr。

利用vga的列计数器和行计数器，可以轻松产生frame_addr：当行计数器范围在0-479，列计数器范围在0-639时，每来一个vga时钟信号，地址值加1。当行计数值等于480时，地址值清零。产生frame_addr的关键代码如下：

           if(vCounter  >= 480)

                           frame_addr  <= 19'b0;

                    else begin

                               if (hCounter  < 640)

                                     frame_addr <= frame_addr +1;

                           end

4.具体实现步骤：

   (1)启动Vivado2013.3，在工作目录（例如D：\xup\Zed）下创建新工程Cam_OV7725_ImageShow.

   (2)选择RTL Project, target language选择verilog, part orboard部分选择xc7z020clg484-3,完成工程的创建

   （3）添加verilog文件：在vivado主页面左边的project manager一栏，点击Add Sources,,勾选Add Existing Block Design Source,选择Add Files，添加/verilog_files文件夹下的所有v文件。记住勾选“Copy source into project”,如图所示：

添加帧缓存ip核：点击IP Catalog，在search栏输入block mem,添加Block Memory Generator ip核，按照以下3图设置ip参数：

（4）添加时钟ip核：在IP Catalog中的search栏输入clock,选取clocking wizard ip核,双击进入配置界面。元件名字改为clk_gen,在output clocks板块增加两个时钟输出：50MHz与25MHz，并勾去下方的reset与locked。如图所示：

（4）添加引脚配置文件：再一次点击Add Sources,,勾选Add or Create Constraints，选择Add Files，添加/constraints文件夹下的zed.xdc文件。

（5）保存，点击Generate Bitstream，综合、实现，生成bit文件。

系统调试及板级验证

将OV7725模块连接到Pmod转接板，转接板连上Zedboard的JA，JB口，上电，然后下载bit文件。可以看到红色的LED[0]亮 起，说明寄存器配置完毕，也可以按下BTNU按键再次进行寄存器配置。通过VGA显示器，可以看到OV7725采集到的图像，如图所示。