基于FPGA的高速图像采集处理系统设计与实现
基于FPGA的MIPI CSI-2图像采集系统设计
基于FPGA的MIPI CSI-2图像采集系统设计赵清壮【摘要】This paper elaborates a design of MIPI CSI-2 high-definition camera interface image acquisition system based on FPGA. Now, MIPI high-definition CCD is used widely, this design uses FPGA to achieve MIPI high-definition CCD collect and provides two outputs of LCD screen and USB, the data transmission is stable and reliable, it make MIPI interface camera applied widely by the other circuit systems, accelerates system development and saves cost.%阐述一种基于FPGA的MIPI CSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计，该设计用FPGA实现当前应用广泛的MIPI高清CCD采集，并提供LCD屏、USB两路输出，数据传输稳定可靠，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。
【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2015(000)029【总页数】2页(P84-85)【关键词】MIPI;CSI-2;图像采集;FPGA【作者】赵清壮【作者单位】广州飒特红外特股份有限公司，广州510000【正文语种】中文【中图分类】TP302.10 引言CSI（Camera Serial Interface)是由MIPI（Mobile Industry Processor Interface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI联盟旨在确定并推动移动应用处理器接口的开放性标准。
基于FPGA和USB3.0的高速视频图像采集处理系统设计
摘要随着机器视觉的广泛应用，以及工业4.0和“中国制造2025”的提出，在数字图像的采集、传输、处理等领域也提出了越来越高的要求。
传统的基于ISA接口、PCI接口、串行和并行等接口的图像采集卡已经不能满足人们对于高分辨率、实时性的图像采集的需求了。
一种基于FPGA和USB3.0高速接口，进行实时高速图像采集传输的研究越来越成为国内外在高速图像采集研究领域的一个新的热点。
针对高速传输和实时传输这两点要求，通过采用FPGA作为核心控制芯片与USB3.0高速接口协调工作的架构，实现高帧率、高分辨率、实时性的高速图像的采集和传输，并由上位机进行可视化操作和数据的保存。
整体系统采用先硬件后软件的设计方式进行设计，并对系统各模块进行了测试和仿真验证。
通过在FPGA 内部实现滤波和边缘检测等图像预处理操作，验证了FPGA独特的并行数据处理方式在信号及图像处理方面的巨大优势。
在系统硬件设计部分，采用OV5640传感器作为采集前端，选用Altera的Cyclone IV E系列FPGA作为系统控制芯片，由DDR2存储芯片进行数据缓存，采用Cypress公司的USB3.0集成型USB3.0芯片作为数据高速接口，完成了各模块的电路设计和采集卡PCB实物制作。
系统软件设计，主要分为FPGA逻辑程序部分、USB3.0固件程序部分和上位机应用软件部分。
通过在FPGA上搭建“软核”的方式，由Qsys系统完成OV5640的配置和初始化工作。
由GPIF II接口完成FPGA和FX3之间的数据通路。
通过编写状态机完成Slave FIFO的时序控制，在Eclipse中完成USB3.0固件程序的设计和开发。
上位机采用VS2013软件通过MFC方式设计，从而完成整体图像采集数据通路，并在上位机中显示和保存。
整体设计实现预期要求，各模块功能正常，USB3.0传输速度稳定在320MB/s，通过上位机保存至PC机硬盘的图像分辨率大小为1920*1080，与传感器寄存器设置一致，采集卡图像采集帧率为30fps，滤波及边缘检测预处理符合要求，采集系统具有实际应用价值和研究意义。
基于FPGA和DSP的高速图像处理系统设计
的缓 冲 。整 个 系统的 工作 流 程 在 Ｆ ＧＡ 和 Ｄ Ｐ的分 工 及协 作 下 完成 ， 比使 用单 片 ＤＳ Ｐ Ｓ 这 Ｐ建 立 的处 理 系
统性 能提 高 ２ 左右 。该 系统 具 有可重 构性 ， ５ 方便 其 它算 法在该 系统上 实现 。
关键 词 ： Ｐ Ｆ ＧＡ； Ｓ Ｊ Ｅ 双 口 ＲＡＭ ； Ｄ Ｐ；Ｐ Ｇ； 图像 压 缩
第 １ 卷 第 ４期 １
２１ ０ １年 ８月
潍 坊 学 院 学报
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷ ｅｆｎ ｉｅ ｓｔ ｏ ｒ ａ ｉａ ｇ Ｕｎｖ ｒ ｉ ｏ ｙ
Ｖ０ ． １Ｎ０ ４ １１ ．
Ｊ １２ １ ｕ． ０ １
基 于 Ｆ ＧＡ 和 ＤＳ Ｐ Ｐ的 高 速 图 像 处 理 系 统设 计
确 的配置之后 ， 就可 以输 出 １ 的图像数据 和一些 同步信 号 。在本系统 中采用 Ｉ Ｏ位 ｚ Ｃ实现 传感 器配 置 ，Ｐ Ｆ— Ｇ 管脚通 过模拟 ＩＣ时序 ， Ａ 。 完成 对 Ｃ ＭＯＳ 感器 的初始 化配置 ， 中要 配置 的寄存 器如表 １ 传 其 所示 。
表 １ ＭＴ Ｍ０ ９ １寄存 器 设 置
编程逻 辑 阵列 （ Ｐ Ｆ ＧＡ） 出现解 决 了上 述 困难 ， 电路 的灵活 性设 计提 供 了方便 ［ 。 的 为 ４ ］
从 系 统开发 成本 、 能 、 性 开发难 易程 度等 多方 面综 合考 虑 ， 基于 Ｆ Ｇ 和 Ｄ Ｐ的系 统具 有 灵 活性 高 、 Ｐ Ａ Ｓ 实用性 强 、 可靠性 高 的优 点 。在此类 系 统 中 ，Ｐ Ｆ ＧＡ和 ＤＳ Ｐ之 间 数据 的通 信 方式 和速 度 ， 直 接影 响着 整 将 个 图像 处理 系统 的效 率 。为 提 高 处 理 效 率 ， 文 试 图 借 助 于 一 片 低 功耗 Ｆ ＧＡ、 片 Ｄ Ｐ和 一 片 双 口 本 Ｐ 一 Ｓ
基于FPGA的新型高速CCD图像数据采集系统
作 为 图 像 数 据 的 控 制 和 处 理 核 心 ， 过 采 用 高速 Ａ／ 异 步 ＦＦ Ｕ Ｒ 以 及 电 平 转 换 、 大 滤 波 、 通 Ｄ、 ＩＯ、 Ａ Ｔ 放 二 值 化 电 路 和 光 学 系 统 实 现 对 图 像 数 据 的 信 号 处 理 ， 运 用 Ｖ ｓ ａ Ｓｕ ｉ ＋ 和 Ｍｉｒｓｆ 公 司 的 基 本 类 并 ｉ ｌ ｔｄｏ Ｃ ＋ ｕ ｃｏｏｔ 库 ＭＦ 实现 对 采 集 数 据 的 显 示 、 图 、 输 控 制 等 。 利 用 搭 建 的 系统 平 台 实 现 对 物 体 尺 寸 的 测 量 ， Ｃ 绘 传 通
Ｕｅ ｓ Ｖｉ ａ ｔ ｄ ｏ ｓ ｌ ｕｉ ｕ Ｓ Ｃ ＋ ＋ ａ ｄ ｎ Ｍｉｒ ｓ ｆ Ｃｏ ａ ｙ Ｆ ｕ ｄ ｔ ｎ ｌ ｓ ＭＦ ｔ ａ ｈｅ ｅ ｈ ｄ ｓ ｌｙ ｃｏｏｔ ｍｐ ｎ ｏ ｎ ａ ｉ Ｃ ａ ｓ ｏ Ｃ ｏ ｃ ｉ ｖ ｔ ｅ ｉｐ ａ ．ｍａ ｐ ｎ ａ ｄ ｒ ｎ ｍｉｓｏ ｏ ｔ ｌ ｐ ｉｇ ｎ ｔ ｓ ｓ ｉｎ ｃ ｎ ｒ ａ ｏ
Ｗ ＥＩ Ｃｈ ｎ Ｗ ｅ ，ＹＵＡＮ Ｚｏ ｇ ａｇ ｉ ｎ Ｈｅ ｇ，ＺＨＡＮＧ Ｗ ｅ Ｔａ ｎ ｎ ｏ，Ｗ ＡＮＧ ｉ ｅ ，ＸＩ Ｐｅ Ｐ ｉ ＮＧ Ｄａ Ｙａ ｎ
（ ｅ ａ ｍ ｎ ｏ ｌｃ ｏ ｉ Ｅ ｇｎｅｉｇ ｕ ｉ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ Ｅｅｔ ｎｃＴ ｃ ｎｌｇ，Ｇ ｉｎ ５ １０ ，Ｃ ｉａ Ｄ ｐ ｒ ｅ ｔ ｆＥｅｔ ｎｃ ｎｉｅｒ ，Ｇ ｉｎ ｎｖ ｓｙ ｆ ｌｃ ｏ ｉ ｅｈ ｏ ｙ ｕｌ ４ ０ ４ ｈｎ ） ｔ ｒ ｎ ｌ ｅ ｉ ｒ ｏ ｉ
一种基于FPGA的高速图像采集及显示电路设计
１ ９
一
种基于 Ｆ Ｇ Ｐ Ａ的高速图像采集及显示电路设计
Ｄｅ ｉ ｆ Ｈｉ —ｓ ｅ ｄ Ｖｉ ｏ Ａｃ ｕｓｔ ｎ Ａｎ Ｄｉｐ ａ ｒ ｕｔＢａ ｅ ｏ Ｐ ｓｇｎ ｏ ｇｈ— ｐ ｅ ｄｅ ｑ ｉｉｏ ｄ ｉ ｓ ｌｙ Ｃｉ ｉ ｃ ｓ ｄ ｎ Ｆ ＧＡ
选 用 的 接 收 芯 片是 ＤＳ ０ Ｒ ８ ， 最 高 数 据 传输 速 率 可 以达 到 ９ Ｃ ２ ６其
该 Ｆ Ｇ 进 行 配 置和 验 证 ， 试 表 明该 设 计 不仅 实现 了 图像 高 速 采 集和 显 示 ， 使 图像 清 晰 、 ＰＡ 测 且 系统 稳 定 可 靠 。
关 键 词 ：Ｐ Ｆ ＧＡ， Ｃｌ ＣＰ 总线 ， 图像 采 集
Ａｂ ｔａ ｔ ｓ ｒｃ
Ｔｈ ｓｉ ｕ ｅ Ｃａ Ｌｎ ｎｅｒａ ｅ ｎｄ ｅ ｄｅ ｇｎ ｓ ｄ ｍ ｉｋ ｉｔ ｆ ｃ ａ ＤＶＩ ｏ ｒ ａｌ ｅ ｉ －ｓ ｅｄ ｉ ａ ｑｕｓｔ ｄ ｔ ｅ ｉ ｈｇｈ ｐｅ ｖｄｅｏ ｃ ｉｉｏｎ ａｎ ｄｉｐｌｙ．ｈｉ ｚ ｉ ｓ ａ Ｔ ｓ ｐａｐ ｉｔｏｄｕ ｅｓ ｅｒ ｎｒ ｃ ｔ ｅ ｙ ｔｍ ｏｆ ｉ ａ ｑｕｉｉｏｎ ｎｄ ｈ ｓ ｓｅ ｖｄｅｏ ｃ ｓｔ ａ ｄｉｐｌｙ ａ ｄ ｉ ｓ ａ ｂ ｓｅ ｏｎ ＰＧＡ，ｈ ｗｓ ｏ Ｆ ｓ ｏ ｈ ｗ ｔ ｓ ｍ ｐｌ ｍ ｏ ｅ ｈｅ ａ ｅ ｄｕｌ ｂａ ｅｄ ｓ ｏｎ Ｃａｍ Ｌｎｋ ｎ ｅ ｃｅ ｉ ｉｔ ｄａ ａｎ ＤＶＩ ｓ ａ ｏ ｅ ｄ ｄｉｐｌｙ ｍ ｄｕｌ ｗｏｒ ｄ． ｄ ｄｅ Ａｎ ｂａ ｅｄ ｎ ｓ ｏ ＣＰ ｂｕ ，ｉ Ｃｌ ｓｈｇｈ－ ｅｅ ｉ ａ ｄａ ａ ｅｘ ｈ ｇｅ ｅｔ ｅ ｃ ｓｐ ｄ ｍ ｇｅ ｔ ｃ ａｎ ｂ ｗｅ ｎ ｏｍｐｕ ｅ ａｎ ｉ ｔｒ ｄ ｍａｇ ｅ ｃｉ ｕｉ ｗａ ｒ ａｉｅｄ． ＥＰ ３０ ７ ４ ＦＰ ｒ ｔ ｃ ｓ ｅｌ ｚ ２Ｓ Ｆ６ ２１ ＧＡ ｏ ｔ ｍ ｐ ｙ ｉ ｕ ｅ ｔ ｎ ｉ ｄ ｅｒｙ ｈ ｄｅ ｉ ． ｅ ｅｓ ｍａｎｆｓｅｓ ｈ ｆＡｌ Ｃｏ ａｎ ｓ ｓ ｄ ｏ ｃｏ ｆｇ ａｎ ｖ ｉ ｔｅ ｅｒ ｆ ｓｇｎＴｈ ｔ ｔ ｉ ｔ ｔｅ ｅ ｄｅ ｉ ｎ ｔｏｎｌ ｅａｉｅｄ ｉ ｓｇｎ ｏ ｙ ｒ ｌ ｚ ｈｇｈ—ｓ ｅｅ ｖｄｅｏ ａ ｐ ｄ ｉ ｃｑｕｓｔ ａ ｄ ｉｉｏｎ ｎ ｄｉｐｌｙ， ｔａｌｏ ｍ ａ ｄｅ ｅａ ，ｙ ｔｍ ｒ ｉ ｌ ｉ ｓ ａ ｂｕ ｓ ｄｅ ｖｉ ｏ ｃｌ ｒｓ ｓｅ ｅｌ ｅ ａｂ Ｋｅ ｗｏ ｄ ： Ｐ ｙ ｒ ｓ Ｆ ＧＡ． Ｃｌ ｓ， ｄｅ ａ ｑｕｉｉｏｎ ＣＰ ｂｕ ｖｉ ｏ ｃ ｓｔ ｉ
基于FPGA的高速图像采集系统设计.
基于FPGA的高速图像采集系统设计引言在低速的数据采集系统中，往往采用单片机或者DSP进行控制；而对于图像采集这种高速数据采集的场合，这种方案就不能满足需要。
因此这种方案极大浪费了单片机或DSP的端口资源且灵活性差；若改用串口方式收集数据，则一方面降低了数据采集的速度，另一方面极大地耗费CPU的资源。
本系统采用FPGA作为数据采集的主控单元，全部控制逻辑由硬件完成，速度快、成本低、灵活性强。
为了增加缓冲功能，系统在FPGA外扩展了256Mb的RAM，不仅增大了缓冲区容量，而且极大地降低了读写频率，有效地减轻了上位机CPU的负担。
在图像数据接口中，比较常见的是VGA、PCI—Express，而这些接口扩展性差、成本高。
本系统采用高速的USB接口作为与上位机通信的端口，速度快、易安装、灵活性强。
1 系统框图系统框图如图1所示。
FPGA控制单元采用A1tera公司Cyclone II系列的EP2C5F256C6，主要由4个部分组成——主控模块、CMOS传感器接口、RAM 控制器以及EZ—USB接口控制器。
传感器接口负责完成SCCB时序控制，RAM控制器用于实现RAM读写与刷新操作的时序，USB接口模块完成主控模块与EZ—USB之间的数据读写；而主控模块负责对从EZ—USB部分接收过来的上位机命令进行解析，解析完命令后产生相应的信号控制各个对应模块，如CMOS传感器传输的图像格式、RAM的读写方式、突发长度等。
2 OV7620模块设计图像传感器采用OV7620，接口图如图2所示。
该传感器功能强大，提供多种数据格式的输出，自动消除白噪声，白平衡、色彩饱和度、色调控制、窗口大小等均可通过内部的SCCB控制线进行设置。
OV7620属于CMOS彩色图像传感器。
它支持连续和隔行两种扫描方式，VGA与QVGA两种图像格式；最高像素为664×492，帧速率为30fps；数据格式包括YUV、YCrCb、RGB三种。
基于FPGA的高速图像采集／处理卡
图 ４处 理 前 图 ５处 理后
在 算 法 速 度 上 ， 软件 对 图 ４实 现 同 样 的 操 作 得 到 图 ５ 所 用 ， 卡 采 用 的是 一 款 ２ ｋ个 像 敏 单 元 ．转 移 频 率 为 １ １ Ｍ 的 Ｃ Ｄ Ｍ～ ０ Ｃ 芯 片 由于 图像 处 理 速 度 跟 Ｓ Ｒ Ｍ 存 储 器 的 存 取 速 度 不 一 定 需 时 间 大 约 １ ０ ． 由硬 件 几 乎 可 以做 到 实 时处 理 。可 见 。 Ｄ Ａ ０ ｍｓ 而 用 完 全 同步 ， 了保 证 数 据 的 可 靠 存 储 ， 两 者 之 间 增加 了先 人 先 硬 件 实 现 图像 处 理 的速 度 是 软 件 无 法 相 比的 。 由于 Ｃ Ｃ Ｎ 为 在 Ｙ Ｌ Ｅ Ｏ
强的要求。 同时， ＦＧ 在 Ｐ Ａ平用硬件描述语言实现了图 像的预处理算法， 相对于软件实现的预处理算法具有极大的速度优势，
简 化 了后 续 处 理 软 件 的 工作 量 ． 大大 提 高整 个 图像 处 理 系统 的速 度 和 效 率 。
基于FPGA的高速线阵CCD图像采集系统_任慧建
３．１ ＴＣＤ１２０９Ｄ 采样模块设计 ＴＣＤ１２０９Ｄ 的驱动时序如图２所示，由图 知，完成芯片
的驱动需要５路驱动脉冲，分别为：移位脉冲 φ１ 和 φ２，转移 脉冲 ＳＨ，复位脉冲 ＲＳ，钳位脉冲 ＣＰ［５］，各路脉冲必须严格 满 足 时 序 要 求 。 每 帧 输 出 信 号 首 先 是 ３２ 个 哑 元 像 素 信 号 ，
１ 引 言
ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）是 一 种 可 以 把 图 像 信 息 直 接 转 换 成 电 信 号 的 光 电 转 换 图 像 传 感 器 ，在 图 像 传 感 、景 物 识别以及非接触测量等领域都得到了 广 泛 应 用 。 ［１］ 而 且 它 对 于 成 像 系 统 的 小 型 化 ，轻 量 化 ，提 高 分 辨 率 等 方 面 起 着 至 关重要的作用［２］。ＣＣＤ 驱 动 电 路 的 设 计 有 很 多 方 法，以 往 通 常 采 用 数 字 电 路 驱 动 法 实 现 ，该 方 法 调 试 复 杂 ，灵 活 性 较 差。随着大规模可 编 程 逻 辑 器 件 的 发 展，ＦＰＧＡ 驱 动 法 成 为了设计 ＣＣＤ 驱动电路的研究热点 。 ［３－４］
图 １ 系 统 总 结 结 构
收 稿 日 期 ：２０１４－０４
· ３３ ·
第 ３７ 卷
电 子 测 量 技 术
首先通过 代 码控 制 ＦＰＧＡ 输出 与 ＣＣＤ 芯片 时序要 求 相对应 的 驱 动 信 号 对 ＣＣＤ 进 行 驱 动，ＣＣＤ 输 出 信 号 经 过 电容滤波后送入 ＡＤ９９４５进行相关 双 采样 与 Ａ／Ｄ 转换，之 后将获得的数字信 号 放 入 ＦＰＧＡ 的 ＦＩＦＯ 数 据 缓 存 器，再 经过以太网传至上位机。
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基于FPGA的高速图像采集处理系统设计与实
现
近年来，随着科技的不断进步，数字图像采集技术也迎来了一次腾飞。
作为一
种高效、稳定的图像采集技术，基于FPGA的高速图像采集处理系统被广泛应用
于视频监控、医学影像、工业检测等领域。
本文将详细介绍基于FPGA的高速图像采集处理系统的设计与实现过程，包括
硬件平台的搭建、图像采集核心模块的设计与实现，以及数据传输与存储等相关内容。
一、硬件平台搭建
硬件平台是基于FPGA进行设计的核心环节，同时也是决定整个系统性能的重
要因素。
我们选用了Xilinx公司的Zynq系列SoC（System on Chip）作为硬件平台，该芯片结合了高性能的ARM Cortex-A9处理器和可编程逻辑门阵列（FPGA），能
够提供很高的计算性能。
同时，该系列SoC还具备高速串行接口和DMA控制器，能够实现高速数据传输与存储。
在硬件平台搭建过程中，我们需要先将SoC与外部存储芯片、高速采集器等外设连接。
为了保证系统的稳定性和可靠性，我们还需要添加适当的电源管理模块、时钟管理模块和温度控制模块。
最后，我们将通过Vivado软件对硬件平台进行初
始化和配置，以保证系统的正常运行。
二、图像采集核心模块的设计与实现
图像采集核心模块是基于FPGA进行设计的重要模块，主要用于快速采集输入
信号，并将其转换为数字信号进行后续的图像处理。
该模块的性能直接影响到整个系统的速度和稳定性，因此需要在设计时充分考虑系统需求和硬件资源。
我们选用了LVDS差分信号传输技术作为图像采集的接口方式，该技术具有低
噪声、抗干扰性强等优点，可以保证高质量的图像采集。
同时，我们还采用了FPGA内部的片上ADC（Analog to Digital Converter）模块，能够实现快速、高精
度的信号采集。
为了保证信号的稳定性和减小信号处理延迟，我们还采用了FPGA内部的
DMA（Direct Memory Access）控制器，实现高速数据传输和转换。
在DMA传输
过程中，我们通过添加缓存区和FIFO（First In First Out）缓存器，实现了异步读
写和数据的流水线处理，进一步提高了系统的处理速度和效率。
三、数据传输与存储
图像采集处理系统的另一个重要环节是数据传输与存储。
在高速数据处理过程中，数据传输和存储的速度、效率和可靠性都是至关重要的因素。
在本系统中，我们采用了PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）接口作为数据传输的主要通道，能够实现高速数据传输和低延迟。
同时，在数据存储方面，我们还选用了高速存储器作为缓存区，通过实现FLASH模式和SRAM模式的存储，实现了不同精度和存储容量的选择。
同时，我
们还通过添加数据压缩模块，实现了对图像采集数据的快速压缩和解压，既能够保证存储容量，又能够保证数据的真实性和完整性。
结语
基于FPGA的高速图像采集处理系统是一种高效、稳定的数字图像采集技术，
本文详细介绍了其硬件平台搭建、图像采集核心模块的设计与实现，以及数据传输与存储等相关内容。
该系统可以广泛应用于视频监控、医学影像、工业检测等领域，具有很好的发展前景。