基于ZEDBoard構建圖像處理通路（Block Ram版本） - 全文

注：本博文的工程文件位于：

對于集FPGA和ARM于一體的Zynq系列平臺來說，圖像處理是Zynq平臺主要的應用方向之一。圖像采集部分是圖像處理系統(tǒng)的重要組成部分，它通過圖像傳感器將外部的圖像信息采集進來，轉換為數(shù)字信號存儲到系統(tǒng)的幀存儲器中。目前在工業(yè)圖像采集領域，人們常用的兩種圖像傳感器為CCD與CMOS圖像傳感器。CCD一般輸出帶制式的模擬信號，需要經(jīng)過視頻解碼器得到數(shù)字信號才能傳入控制器中，而CMOS圖像傳感器直接輸出數(shù)字信號，可以直接與控制器進行連接。隨著集成電路設計技術和工藝水平的提高，CMOS圖像傳感器像素單元的數(shù)量和采集速度都不斷增大。由于CMOS器件的高速性，近年來，越來越多的高速圖像采集系統(tǒng)采用CMOS圖像傳感器作為圖像采集器件。

常用CMOS傳感器品牌以及選擇：

Sony: 日產(chǎn)CMOS，高靈敏度和低噪聲，偏重于攝影拍照，但開發(fā)的參考資料比較少；
Aptina：CMOS系統(tǒng)按拍照架構設計，開發(fā)流程較為繁瑣，且價格偏高，成像品質性價比略高；
OmniVision：CMOS系統(tǒng)架構最適合圖像采集，開發(fā)資料較充足，各系列間兼容性好。

數(shù)字圖像采集平臺架構如圖所示。系統(tǒng)通過CMOS傳感器OV7725將圖像高速采集進Zedboard并存儲到BRAM，然后通過VGA控制模塊將圖像顯示出來。

我們要在Vivado中實現(xiàn)以下功能：
l 驅動CMOS圖像傳感器OV7725，實現(xiàn)圖像采集；
l 將圖像存放到Block Ram中；
l 圖像的VGA顯示；

該實例將會涉及CMOS傳感器的接口及驅動、CMOS圖像傳感器的寄存器參數(shù)配置、BRAM存放策略等方面。

1.OV7725的引腳以及驅動
OV7725的引腳很多，但本系統(tǒng)中用到的OV7725模塊只包含以下一些引腳：
D0~D9： CMOS輸出的10位數(shù)據(jù)口.本實例只用到D2~D9。
RESET： CMOS輸入信號，復位引腳，低電平有效。本實例將其置空
PWDN： CMOS輸入信號，休眠模式選擇，0為正常模式，1為休眠模式。本實例將其置空
PCLK： CMOS輸出的像素時鐘
XCLK： CMOS輸入的時鐘信號，本實例采用25MHz。
HREF： CMOS輸出的行同步信號
VSYNC： CMOS輸出的幀同步信號
SIOC： CMOS寄存器的IIC時鐘輸入
SIOD： CMOS寄存器的IIC數(shù)據(jù)輸入/輸出

因為用到的引腳數(shù)量并不多，因此我們選擇用Zedboard上JA，JB兩組Pmod接口與OV7725模塊相連。OV7725的驅動包含兩個操作：1.配置寄存器 2.根據(jù)傳入的時序信號（PCLK，HREF，VSYNC），對傳入數(shù)據(jù)進行拼接，組合成RGB像素。

n 配置寄存器

OV7725的正常工作需要寄存器的正確配置。寄存器的配置遵從IIC協(xié)議，在PL提供的IIC時鐘驅使下，向不同功能的寄存器地址寫入數(shù)據(jù)。本實例構建了一個IIC的主模塊，寄存器配置指令只需要兩條即可：
0x1100;//11為CLKRC寄存器，設置為00值，采用內部時鐘
0x1206;//分辨率設置為VGA 640x480，像素輸出格式設置為RGB565

n 拼接數(shù)據(jù)得到像素RGB565

OV7725像素格式為RGB565時，時序圖如下：

當幀同步信號VSYNC出現(xiàn)有效邊沿之后，在HREF為高電平時，第一個PCLK上升沿讀取第一個byte（D7~D0）。此時要注意，這個byte并不代表第一個像素，而是第一個像素的R[4:0]以及G[5:3],第二個PCLK上升沿讀取的byte則是第一個像素的G[2:0]以及B[4:0]。當?shù)诙€PCLK上升沿到來時，將這兩個byte組合成一個完整的像素，就得到了第一個像素。以此類推，采集一行數(shù)據(jù)（640x2個數(shù)據(jù)），就得到640個像素值。當采集完480行的時候，就完成了一幀數(shù)據(jù)的采集。

由OV7725的VGA時序可知，每一行有效時間為640x2個pclk，無效時間為144x2個pclk，每一行花費時間為784x2個PCLK時鐘；而每一幀總行數(shù)是510（有效行數(shù)是480）；因此采集一幀數(shù)據(jù)的時間是784*510x2個pclk的時間。

2.幀緩存(FrameBuffer)的實現(xiàn)

為了方便進行顯示，以及后續(xù)的圖像處理，需要存儲采集的圖像。在vavado的IP catalog界面，在search 欄輸入block mem,下方ip列表會顯示出block memorygenerator,如圖所示：

雙擊上圖的藍色區(qū)域，打開ip核定制界面。在Basic板塊的Memory Type選項設置成Simple dual portram,然后在port A options 的port A width 設置成48bit,depth設置成76800.“enable port type”設置成 always enabled。在port B options 的port B width 設置成12bit,此時dept會自動設置成307200.同樣，“enable port type”設置成 always enabled。

那么，讀者朋友們會注意到剛才port A 的端口位寬是48bit。我們知道，要進行vga顯示，zedboard的VGA部分R，G，B每個通道都是4bit，顯示一個像素需要12bit。因此，我們存儲一個像素采用的位寬也是12bit，一共存儲的像素數(shù)量為640x480 = 307200個像素。既然這樣，那為什么存進RAM的位寬不是12bit呢？這是因為，ip核的寫入端深度允許的范圍只有2-130172，而讀端口就沒有這種限制，為了存儲一幀圖像，存儲的位寬就需要增加。我們需要另寫一個像素整合存儲到ram的機制，使連續(xù)的四個像素在存儲之前先整合成一個12x4bit的變量。

OV7725的采集模塊代碼如下：

3.VGA顯示的實現(xiàn)

本實例中實現(xiàn)的VGA模塊頂視圖如圖所示：

VGA部分除了產(chǎn)生VGA信號，將像素信號接到VGA的RGB三通道以外，還有一個比較重要的功能，就是產(chǎn)生讀frame buffer的地址信號frame_addr。

利用vga的列計數(shù)器和行計數(shù)器，可以輕松產(chǎn)生frame_addr：當行計數(shù)器范圍在0-479，列計數(shù)器范圍在0-639時，每來一個vga時鐘信號，地址值加1。當行計數(shù)值等于480時，地址值清零。產(chǎn)生frame_addr的關鍵代碼如下：

4.具體實現(xiàn)步驟：

(1)啟動Vivado2013.3，在工作目錄（例如D：xuped）下創(chuàng)建新工程Cam_OV7725_ImageShow.
(2)選擇RTL Project, target language選擇verilog, part orboard部分選擇xc7z020clg484-3,完成工程的創(chuàng)建
（3）添加verilog文件：在vivado主頁面左邊的project manager一欄，點擊Add Sources,,勾選Add Existing Block Design Source,選擇Add Files，添加/verilog_files文件夾下的所有v文件。記住勾選“Copy source into project”,如圖所示：

添加幀緩存ip核：點擊IP Catalog，在search欄輸入block mem,添加Block Memory Generator ip核，按照以下3圖設置ip參數(shù)：

（4）添加時鐘ip核：在IP Catalog中的search欄輸入clock,選取clocking wizard ip核,雙擊進入配置界面。元件名字改為clk_gen,在output clocks板塊增加兩個時鐘輸出：50MHz與25MHz，并勾去下方的reset與locked。如圖所示：

（4）添加引腳配置文件：再一次點擊Add Sources,,勾選Add or Create Constraints，選擇Add Files，添加/constraints文件夾下的zed.xdc文件。

（5）保存，點擊Generate Bitstream，綜合、實現(xiàn)，生成bit文件。

系統(tǒng)調試及板級驗證

將OV7725模塊連接到Pmod轉接板，轉接板連上Zedboard的JA，JB口，上電，然后下載bit文件?？梢钥吹郊t色的LED[0]亮起，說明寄存器配置完畢，也可以按下BTNU按鍵再次進行寄存器配置。通過VGA顯示器，可以看到OV7725采集到的圖像，如圖所示。