基于FPGA的图像采集模块设计

　　1 引言

　　图像采集是图像处理的前提。图像采集卡是常用的图像输入设备，通常占用PC机总线的一个插槽。它主要包括图像存储器单元、CCD或CMOS摄像头接口、PC机总线接口等。传统的图像采集卡大多数采用 PCI接口，这种图像采集卡适用于将模拟信号经A／D转换器转换成数字信号，或本身就是数字信号，再通过PCI接口传输至PC机，进行图像处理。但使用嵌入式系统实现图像采集和处理时，带有PCI接口的图像采集卡就不适用。为此，这里提出一种适用于嵌入式系统的数字图像采集模块设计方案，实现图像数据采集、"乒乓"模式图像数据的缓存、图像数据的采集模块外部接口，并保证图像采集的高速性和连续性。

　　2 图像采集系统设计

　　图1为图像采集系统框图。该系统包括OV7620图像数据采集板、FPGA的图像数据接收缓存板、两片SRAM构成的高速缓存以及系统外部接口。OV7620图像数据采集板主要完成图像数据采集，其图像数据总线、帧图像数据时钟、帧同步信号、行同步信号与FPGA图像数据接收缓存板相连，FPGA协调两片SRAM"乒乓模式"的读写操作，并完成模块的外部接口。

　　2．1 OV7620图像数据采集板

　　数字图像采集模块的核心是图像传感器。OV7620内置640x480的图像阵列，每秒可输出30帧以上的图像；并集成有诸如曝光控制、伽马、增益、白色控制、彩色矩阵、彩色饱和度、色彩控制、窗口等照相功能。该器件能够通过串行SCCB接口编程，通过编程实现8位和16位格式的输出。

　　2．1．1 OV7620电路设计

　　该系统设计采用OV7620的电路如图2所示。其中，SBB引脚接跳线，用于设置OV7620在复位时读取引脚状态或I2C方式配置；UV2引脚接上拉电阻，选择0V7620为QVGA工作状态（320x240）；Y3引脚接上拉电阻，选择OV7620为RGB数据格式输出：Y1引脚接上拉电阻，选择 OV7620位逐行扫描模式；PWDN引脚接地，OV7620不能工作在睡眠模式；UV0~UV7，Y0～Y7，XCLKl，HSYNC，VSYNC，PCLK，HREF，FODD，FREX接26针的插座，与FPGA相连，由 FPGA输出时钟和控制信号控制0V7620。在PCB设计时，应将模拟电源和数字电源、模拟地和数字地分开。电源的输入引脚接O．1μF的去耦电容和 47μF的防止电源"浪涌"的电容。模拟地和数字地分开布线，最后在一点接地。晶体振荡器应尽可能靠近器件放置，使其起振效果达到最佳。

　　2．1．2 OV7620模块与FPGA板的连接

　　图3为0V7620模块与FPGA板的接口电路，其中3．3 V和GND是由FPGA板供电接口，UV0～UV7及Y0～Y7是图像数据的输出总线，VSYNC是图像帧同步信号，HREF是图像的行同步信号，PCLK是图像数据时钟在时钟的上升沿，图像数据发生跳变。

　　2．1.3 MSP430F1121组成I2C配置电路

　　设计中采用MSP430Fll2l单片机配置OV7620，单片机通过JTAG接口下载程序，接入32．768 kHz的低速晶体振荡器，供单片机使用。单片机的P1．1，P1．0端口分别作为I2C总线的SCLK，SDA引脚，各接10 kΩ电阻上拉到3.3 V，增强了总线的驱动能力。单片机内部程序实现P1．1和P1．0组成的I2C总线。

　　2．1．4 OV7620主设备工作模式

　　OV7620有主设备和从设备两种工作模式。该系统设计选用主设备工作模式。在主设备工作模式时，0V7620可提供以下信号：水平行同步信号 Hsync，即CHSYNC引脚（输出状态），高电平有效；垂直场同步信号Vsync，即VSYNC引脚（输出状态），高电平有效；图像数据信号，由 UV7~UV0和Y7~Y0输出。图像数据同步时钟信号Pclk，即PCLK引脚。通过这些信号，系统可采用FPGA接收OV7620的数据，正确采集每一帧图像数据，为后续数据存储和处理奠定基础。

　　2．2 FPGA的图像数据接收缓存板

　　2．2．1 图像缓存方案

　　采用高速SRAM切换模式，即"乒乓模式"。高速SRAM只有一个数据、地址和控制总线，可通过三态缓冲门分别接图像传感器和嵌入式系统。当图像传感器输出数据时，SRAM由三态门切换至图像传感器一侧，以使图像数据写入。当图像传感器输出数据结束后，SRAM再由三态门切换到嵌入式系统一侧以便嵌入式系统读写。在切换过程中，还应保证帧图像数据的完整性。这种方式的优点是SRAM可随机存取，同时易于得到较大容量的高速SRAM且价格适中。

　　2．2．2 FPGA板模块电路

　　图4为电源部分的设计电路。其中，FPGA板接9 V直流电源的输入，经7805后，9 V的电压转换为5 V，经电容平滑滤波后，5 V的电压输人给1117—3．3，得到3．3 V电压。电源工作指示灯VD2指示电源是否正常工作。同时，5 V的电压经1117—1．5，转换为1．5 V的电压输出，供给FPGA使用。

图5为RS一232接口