基于FPGA的图像采集系统设计课程设计(论文)

电子信息工程专业专业综合课程设计基于FPGA的图像采集系统设计

目录

1 设计指标及要求...................................................... - 1 - 1.1 目标.............................................................. - 1 -

1.2 基本要求...................................................... - 1 -

2 系统硬件电路设计.................................................... - 2 -

2.1 核心板........................................................ - 2 -

2.1.1 产品简介.................................................... - 2 -

2.1.2 电源电路................................................ - 5 -

2.1.3 时钟电路. ............................................... - 5 -

2.1.4 复位电路................................................ - 6 -

2.1.5 配置/下载接口. .......................................... - 6 -

2.1.6 配置电路. ............................................... - 7 -

2.1.7 LED电路................................................ - 7 -

2.2 摄像头模块.................................................... - 8 -

2.2.1 OV7670简介............................................ - 8 -

2.2.2 工作原理................................................ - 9 -

2.2.3 OV7670的存储与读取.................................... - 10 -

2.3 液晶模块..................................................... - 10 -

2.3.1 产品简介............................................... - 10 -

2.3.2 工作原理.............................................. - 11 -

3 系统软件设计....................................................... - 13 -

4 系统调试........................................................... - 14 -

4.1 数据采集与存储............................................... - 14 -

4.2 数据处理与显示............................................... - 14 - 结论............................................................. - 15 - 参考文献.......................................................... - 16 - 附录二实物照片..................................................... - 18 - 附录三系统完整程序代码............................................. - 20 -

II

1 设计指标及要求

1.1 目标

以FPGA为核心，设计外围电路，利用摄像头模块和显示模块对图像进行采集和显示。

1.2 基本要求

(1)设计一个图像采集系统，以FPGA为核心，对图像进行采集和显示；

(2)设计采集电路，采集模块建议使用OV7670摄像头，也可以采用其他；

(3)设计显示电路，要求能够在液晶模块显示或电脑显示器显示；

(4)设计电路对摄像头的采集和图像的显示进行开关控制。

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2 系统硬件电路设计

2.1 核心板

2.1.1 产品简介

CoreEP4CE6如图2.1所示。

图2.1 FPGA核心板

CoreEP4CE6是一款基于EP4CE6E22C8N为主控芯片的核心板，它的最大特点是：板载1pcs EPCS16SI8N板载FPGA的最基本电路，包括晶振电路等板载nCONFIG按键、RESET按键、4 x LED引出了所有I/O资源带JTAG调试下载接口排针间距2.54mm，体积较小，适合接入用户系统。FPGA核心板拥有大量的I/O口可供用户使用，操作灵活，抗干扰能力强。。所以本设计采用此核心板控制图像的采集与传输以及显示控制。以下是具体参数简介以及核心板具体的电路模块介绍。

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图2.2 FPGA 核心板介绍

[ 芯片简介 ] EP4CE6E22C8N

以下为EP4CE6E22C8N 的核心资源参数：

工作频率：50MHz ； 工作电压：1.15V ～3.465V ； 封 装：QFP144；I/O 口：80 ； Les ：6K ；RAM ：270kb ； PLLs ：2；

调试下载：可通过JTAG 接口实现下载。 AMS1117-3.3 3.3V 稳压器件。 AMS1117-2.5 2.5V 稳压器件。 AMS1117-1.2 1.2V 稳压器件。 EPCS16

串行FLASH存储器，用于存储代码。

[ 其它器件简介 ]

电源LED

用户LED

复位按键

nCONFIG按键

可对FPGA芯片进行重配置，相当于重启电源。

电源开关

50M有源晶振

[ 接口简介 ]

5VDC接口

JTAG接口

支持下载与调试。

FPGA引脚接口

引出VCC、GND及所有I/O，方便与外设进行连接。[ 跳线说明 ]

LED跳线短接时驱动LED，断开时不驱动LED。

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2.1.2 电源电路

如图2.3所示。

图2.3电源电路

电源电路是核心板子能够正常工作最基本的电路。查芯片手册可知，该芯片需要不同的电压来给每个片区提供不同的电压标准。因此，在设计上，把输入的5V电压分别转换为3.3V、2.5、1.2V等来维持板子正常工作。同时为了方便检测电源的工作状态，板子在3.3V电源输出处接上LED发光二极管（电源指示灯）。设计中将3.3V的电源单独接触额外的引脚来给ov7670图像采集模块和LCD供电。

2.1.3 时钟电路.

如图2.4所示。

图2.4时钟电路

在FPGA设计中时钟的最好解决方案是：由专用的全局时钟输入引脚驱动的单个主时钟去钟控设计中的每一个时序器件，只要有可能就因该尽量在设计项目中采用全局时

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钟，FPGA都具有专门的全局时钟引脚，它直接连到器件中的每一个寄存器。在器件中，这种全局时钟能提供最短的是在延时。在设计中我们用到一个全局时钟口CLK，由于它是单个时钟口，所有我们考虑用有源晶振时钟作为外部时钟来源。板字采用的是50MHz 的晶振，为系统提供精准的时钟源。

2.1.4 复位电路

如图2.5所示。

图2.5复位电路

复位电脑包括RST复位电路和nCONFIG重置电路。RST复位采用RESET按键开关构成的阻容复位电路，按下后，低电平有效产生复位信号。nCONFIG重置电路则由nCONFIG 按键来触发，按下后可以使FPGA进行重新配置而不需要重启板子电源。

2.1.5 配置/下载接口.

如图2.6所示。

图2.6配置/下载接口电路

配置又称加载或下载，是对FPGA内容进行编程的一个过程。每次上电后需要进行配置是基于SRAM工艺FPGA的一个特点。在FPGA内部，有许多可编程的多路器、逻辑、互连线节点和RAM初始化内容等，都需要配置数据来控制。FPGA中配置RAM就起到了这样一个作用，它存放了配置数据的内容。

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根据FPAG 在配置电路中的角色，其配置数据可以使用3种方式载入（Download ）到目标器件，这三种分别是：FPGA 主动方式、FPGA 被动方法和JTAG 方式。JTAG 接口是一个业界标准接口，Altera FPGA 基本上都可以支持JTAG 命令来配置FPGA ，而且JTAG 配置方式比其他任何一种配置方式优先级都高，因此，我们在板子提供了JTAG 配置方式，其配置接口电路图如下所示：

用户可以使用专用的Altera 下载器USB Blaster[2]进行下载调试。如需编程到EPCS 芯片需要对下载文件格式进行转换。

2.1.6 配置电路.

如图2.7所示。

图2.7配置电路

为了使FPGA 掉电后仍然能够保持程序数据，FPGA 需要外接配置芯片，这里选用了Altera 公司的串行FLASH 存储器EPCS16。EPCS16属于增强型配置器件，容量高达16Mbit,支持对打容量FPGA 的单片配置，它们可以由JTAG 接口进行在系统编程。

2.1.7 LED 电路

如图2.8所示。

图2.8 LED 电路

板载4个用户LED，每个LED都是直接由FPGA芯片上一个引脚来驱动的，当给对应的引脚一个逻辑低电平时，点亮LED。

2.2 摄像头模块

2.2.1 OV7670简介

OV7670 是 OV公司生产的一颗 1/6 寸的 CMOS VGA 图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影像数据。该产品 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。OmmiVision 图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。OV7670还具有如下特点：

(1)高灵敏度、低电压适合嵌入式应用

(2)标准的 SCCB 接口，兼容 IIC 接口

(3)支持 RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和 YCbCr （4:2：2）输出格式

(4)支持 VGA、CIF，和从 CIF 到 40*30 的各种尺寸输出

(5)支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平

(6)校准等自动控制功能。同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。

(7)支持闪光灯

(8)支持图像缩放

本设计所采用的OV 7670核心板支持多种视频数据输出格式，使用比较灵活，应用范围也很广。曾经考虑的OV7620不及OV7670使用灵活，而且使用的液晶屏的视频输入格式是RGB，使用ov7670可以直接输出不用转换。经过比较OV7670图像采集模块是本设计最合适的图像采集模块。

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2.2.2 工作原理

原理图如图2.9所示。

图2.9摄像头原理图

从上图可以看出，ov7670摄像头模块自带了有源晶振，用于产生12M时钟作为

ov7670的XCLK输入。同时自带了稳压芯片，用于提供ov7670稳定的2.8V工作电压，并带有一个FIFO芯片，该芯片容量是384K字节。模块通过一个2*9的双排针与外部通信，与外部的通信信号如表1.1所示：

表1.1摄像头引脚

信号作用描述信号作用描述

VCC3.3 模块供电脚，接 3.3V 电源FIFO_WEN FIFO 写使能

GND 模块地线FIFO_WRST FIFO 写指针复位

OV_SCL SCCB 通信时钟信号FIFO_RRST FIFO 读指针复位

OV_SDA SCCB 通信数据信号FIFO_OE FIFO 输出使能（片选）FIFO_D[7:0] FIFO 输出数据（8 位）OV_VSYNC OV7670 帧同步信号

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FIFO_RCLK 读 FIFO 时钟

2.2.3 OV7670的存储与读取

(1)存储图像数据

等待ov7670同步信号—FIFO写指针复位—FIFO写使能—等待第二个同步信号—FIFO写禁止。

(2)读取图像数据

FIFO读指针复位—给FIFO读时针—读取第一个像素高字节—给FIFO读时针—读取像素低字节—给FIFO读时针—读取第二个像素高字节—循环读取剩余像素—结束。2.3 液晶模块

2.3.1 产品简介

型号:FPC-T280BQA_2-A1

显示类型：2.8"TFT 。

显示色彩：65/262K。

驱动IC：LGDP4535

Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。目前在手机上TFT使用最为广泛，中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536色及26万色，1600色三种，其显示效果非常出色。随着技术的进步，TFT不仅应用在手机上，许多智能仪表，工控人机界面也都在使用TFT取代之前的黑白屏。

本设计所采用的视频显示模块（即LCD）为4535驱动的LCD核心板，搭载2.8寸的TFT液晶屏。经对比，此视频显示模块显示效果好，驱动和控制程序编写难度比较容易。所以选择了此款LCD显示模块。

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2.3.2 工作原理

从电子学的角度来说 液晶显示器件的显示原理为：

在外加电场的作用下 具有偶极矩的液晶棒状分子在排列状态上发生变化 使得通过液晶显示器件的光被调制 从而呈现明与暗或透过与不透过的显示效果。液晶显示器件中的每个显示像素都可以单独被电场控制 不同的显示像素按照驱动信号的“指挥”在显示屏上合成出各种字符 数字及图形。液晶显示驱动器的功能就是建立这种电场。由于直流电场将导致液晶材料的化学反应和电极老化, 迅速降低液晶材料的使用寿命所以要求液晶显示驱动器的驱动输出必须是交流驱动。液晶显示的驱动方式有许多种 常用的有静态驱动和动态驱动两种。本文主要介绍用现场可编程逻辑器件FPGA来驱动点阵字符型液晶显示模块(MDLS)。

原理图如图2.10所示。

图2.10液晶原理图

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表2.1液晶引脚

液晶屏模块引脚信号备注

CS 液晶屏片选信号

RS 寄存器/数据选择信号

WR 写信号

RD 读信号

RST 复位信号

BL 背光三极管控制低电平点亮

D0 数据总线低8位

D1 数据总线低8位

D2 数据总线低8位

D3 数据总线低8位

D4 数据总线低8位

D5 数据总线低8位

D6 数据总线低8位

D7 数据总线低8位

D8 数据总线高8位

D9 数据总线高8位

D10 数据总线高8位

D11 数据总线高8位

D12 数据总线高8位

D13 数据总线高8位

D14 数据总线高8位

D15 数据总线高8位

CLK SPI总线时钟MO(MISO) SPI总线输出

MI(MOSI) SPI总线输入PEN 触摸屏中断信号

T_CS 触摸IC片选

FCS 扩展应用：SPI Flash片选

SDCS 扩展应用：SD卡片选信号VDD/VCC 3.3V

GNG 接地

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3 系统软件设计

整个系统必须在软件的支持下才能正常工作。本设计使用QuartusII软件进行管脚配置和整个系统的软件控制及数据部分的代码编写，并编译综合下载到实体调试。其软件流程图如下所示。

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4 系统调试

系统实现了OV7670采集图像并在TFTLCD上显示，图像画面清晰流畅，图像质量较好。本设计使用的OV7670图像采集模块实体中含有图像暂存模块，但由于本设计是基于FPGA的，传输速率较高，所以可以实时的传输图像，显示效果好。与ov7670的连线将数据、控制和电源信号线分成三段防止信号干扰。但为了实体制作方便，采用了万用板和杜邦线进行连接，接触和信号传输可靠性稍低，会对显示效果稍有影响。

4.1 数据采集与存储

图像采集用的是传感器OV7670，其通过总线接口编程实现图像处理功能。把该传感器与核心板相关引脚连接，通过程序控制核心板对OV7670下达执行图像采集的指令，然后将采集的数据读取出来，再采用FIFO进行数据存储，所以该芯片作为数据中转站起了很关键的作用。

4.2 数据处理与显示

FPGA核心板将ov7670图像采集模块所采集的图像采集出来之后，经CPU中转、转码成为可以写入LCD的16位数据。此时CPU对LCD发出写入指令，数据写入LCD。经LCD核心板处理之后最终显示在液晶屏上。达到显示效果。

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结论

本设计耗时一个月时间，经过多次的产品对比，选定了设计所需要的三个模块。即上述的OV7670图像采集模块、FPGA核心板和4535驱动的LCD显示模块。由于FPGA核心板有大量的I/O口可供用户使用，灵活度大大提升的同时也增加了设计难度。所以我们选择了用万用板进行调试，这样比较方便改动，不过也因为使用杜邦线使得传输的数据和控制信号容易受到干扰，使得现实部分略有瑕疵，最终也没有找到特别好的解决方案。通过多次的调试和修改，最终系统正常运行，图像采集正常，显示正常。设计的最后一步工作结束。

通过本次课程设计，组内人员积极响应老师，互相配合完成作品。增加了同学们之间的合作默契度。同时也锻炼了软件调试的基本技能，增加了实体硬件的调试经验。

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参考文献

[1] 姚远、李晨，FPGA应用开发入门与典型事例.人民邮电出版社 2010.

[2] 黄庭涛，CPLD/FPGA的开发与应用.电子工业出版社 2009.

[3] 王洪海，电子设计自动化应用技术-FPGA应用篇高等教育出版社 2009.

[4] 张洪润、张亚凡，FPGA/CPLD应用设计200例北京航空航天大学出版社 2006.

[5] 王彦，基于FPGA的LCD驱动程序设计真空电子技术 2004.

[6] 黄智伟，FPGA系统设计与实践电子工业出版社 2005.

[7] 杨立英，电子电路EDA技术与应用清华大学出版社 2011.

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系统硬件电路图

附录一

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附录二 实物照

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