基于FPGA的CMOS图像传感器驱动电路设计

第３２卷第１期　２０１５年２月　广东工业大学学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．１　Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２０ｌ５　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—７１６２．２０１５．０１．０１５　基于ＦＰＧＡ的ＣＭＯＳ图像传感器驱动电路设计　应小军，李瑜煜　（广东工业大学材料与能源学院，广东广州５１０００６）　摘要：提出了一种基于现场可编程门阵列（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔａ　Ａｎ－ａｙ，ＦＰＧＡ）的图像实时采集和显示的驱动电路　设计方案．该方案采用了ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ公司的ＯＶ７６７０　ＣＭＯＳ图像传感器，选用Ａｈｅｒａ公司Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩ系列　ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８Ｎ作为逻辑控制芯片ＦＰＧＡ，构建了图像传感器驱动电路，并用Ｍｏｄｅｌｓｉｍ进行仿真验证．仿真结果表　明，系统能够很好地满足设计时序要求，并输出稳定的图像．　关键词：图像传感器；ＦＰＧＡ；Ｉ２Ｃ；ＣＭＯＳ图像传感器　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—７１６２（２０１５）０１—００７１—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄｒｉｖｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＣＭＯＳ　Ｉｍａｇｅ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ　Ｙｉｎｇ　Ｘｉａｏ－ｊｕｎ，Ｌｉ　Ｙｕ—ｙｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｅｎｅｒｇｙ，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ　５　１０００６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｏｐｏｓｅｓ　ａ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　ｉｍａｇｅ　ｃａｐｔｕｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ．Ｔｈｅ　ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ　Ｓ　０Ｖ７６７０　ｉｓ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ＣＭＯＳ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ，ｗｈｉｌｅ　Ａｈｅｒａ　Ｓ　Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＩＩ　ｓｅｒｉｅｓ　ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８Ｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｌｏｇｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｉｐ．Ｔｈｅ　ｄｒｉｖｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｖｅｒｉｉｆｅｄ　ｂｙ　Ｍｏｄｅｌｓｉｍ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａ—　ｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｅｅｔｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｔｉｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔａｂｌｅ　ｉｍａｇｅ　ｏｕｔｐｕｔ　ｐｅｒｆｅｃｔｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｅｌｄ　ｐｒｏｇａｍｍａｂｌｅ　ｇａｔａ　ａｒｒａｙ（ＦＰＧＡ）；Ｉ２　Ｃ；ＣＭＯＳ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ＣＭＯＳ图像传感器是近些年发展较快的一种新　型图像传感器．与ＣＣＤ相比，ＣＭＯＳ图像传感器具有　体积小、成本低、重量轻、功耗低、编程方便、易于控制　等优点．ＣＭＯＳ图像传感器已经广泛应用于各种通用　图像采集系统中．随着ＣＭＯＳ集成电路设计和工艺的　不断进步和完善，ＣＭＯＳ正在朝着高分辨率，高灵敏　度，低噪声，大动态范围，高智能化的方向不断发　展¨　．采用ＦＰＧＡ作为主控芯片，整个系统具有设计　方便、仿真简单和传送高速数据时有更小的高频噪　声干扰等优势＿６＿８＿．因此，提出基于ＦＰＧＡ的ＣＭＯＳ　图１系统结构框图　Ｆｉｇ．１　Ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　图像传感器实时采集和显示的设计方案，为图像检　测系统项目的研究提供了有价值的设计参考．　系统以Ａｈｅｒａ公司的ＦＰＧＡ（现场可编程逻辑器　件）ＥＰ２Ｃ８Ｑ２０８Ｃ８Ｎ作为逻辑控制器　Ｊ，利用Ｉ２Ｃ　１　系统结构　系统整体结构包括４部分：ＣＭＯＳ图像传感器　图像数据采集模块、ＦＰＧＡ逻辑控制模块、ＳＲＡＭ读　写模块及ＶＧＡ显示模块．图１为系统结构框图．　（Ｉｎｔｅｒ．Ｉｎｔｅｇｒａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）总线配置ＣＭＯＳ图像传感　器，采用两片ＳＲＡＭ（静态随机存储器）进行乒乓读　写．ＦＰＧＡ根据ＣＭＯＳ图像传感器输出的同步信号，　将ＣＭＯＳ图像传感器采集到的图像数据存储到其中　收稿日期：２０１３－０９—２７　基金项目：广东省省部产学研项目（２０１２Ｂ０９０４００５１３）　作者简介：应小军（１９８９一），男，硕士研究生，主要研究方向为嵌入式及图像处理算法　第１期　（２）：３１５－３２３．　田为刚，等：一类非线性不确定系统的输出跟踪控制　［１　１］Ｔｏｎｇ　Ｓ　Ｃ，Ｌｉ　Ｙ　Ｍ．Ｏｂｓｅｒｖｅｒ—ｂａｓｅｄ　ｆｕｚｚｙ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ｓｔｉｃｔ—ｆｒｏｅｄｂａｅｋ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｊ　Ｊ】．Ｆｕｚｚｙ　Ｓｅｔｓ　ａｎｄ　［９］高子林，王银河，石炳杰．基于自适应模糊逻辑系统的一　类非线性系统跟踪控制设计［Ｊ］．广东工业大学学报，　２０１２，２９（９）：７７—８１．　Ｇａｏ　Ｚ　Ｌ，Ｗａｎｇ　Ｙ　Ｈ，Ｓｈｉ　Ｂ　Ｊ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ａ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｆｕｚｚｙ　ｌｏｇｉｃ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，２００９，１６０（１２）：１７４９—１７６４．　［１２］王立新．模糊系统与模糊控制教程［Ｍ］．北京：清华　大学出版社，２００３．　［１３］王国俊．计算智能［Ｍ］．２版．北京：高等教育出版社，　２００５．　ｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏ—　ｇＹ，２０１２，２９（９）：７７—８１．　［１４］Ｂａｒｔ　Ｋ．Ｆｕｚｚｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｕｐｐｅｒ　Ｓａｄｄｌｅ　Ｒｉｖｅｒ，　ＵＳＡ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．，１９９７．　［１０］Ｚｈｏｕ　Ｙ　Ｈ．Ｆｕｚｚｙ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｓｉｎｇ　ＳＶＭ—　ｂａｓｅｄ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｍｏｄｅｌｓ　ｆｏｒ　ａ　ｃｌａｓｓ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　［１５］Ｓｌｏｔｉｎｅ　Ｊ　Ｅ，“Ｗ　Ｐ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｍ］．Ｅｎ－　ｇｌｅｗｏｏｄ　Ｃｌｉｆｆｓ，ＮＪ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ，Ｉｎｃ．，１９９１．　［Ｊ］．Ｎｅｕｒａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ＆Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１３，２２（３４）：　８２５—８３３．　…一…一～一…一…‘　（上接第６５页）　［１４］赵国鸿，吴虎城．分布式总线仲裁器的设计［Ｊ］．计算　机工程与科学，１９９８，２０（０２）：１１—１４＋７０．　Ｚｈａｏ　Ｇ　Ｈ，Ｗｕ　Ｈ　Ｃ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｂｕｓ　ａｒｂｉｔｅｒ　１ａｔｉｎ　ｓｑｕａｒｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，２８（１）：６２－６７．　［１６］张宇华．基于可编程逻辑器件技术的基本模型机实验　［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９８，２０（０２）：１１－　１４＋７０．　的设计与实现［Ｊ］．广东工业大学学报：社会科学版，　２０１０，Ｓ１：４９－５１．　［１５］丹，郭大昌，王静．星图应用米哈尔顿拉丁方的并　行路由算法［Ｊ］．广东工业大学学报，２０１１，２８（１）：６２—　６７．　Ｚｈａｎｇ　Ｙ　Ｈ．Ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｍｏｄｅｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ｌｏｇｉｃ　ｄｅ—　ｖｉｃｅ（ＣＰＬＤ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ　Ｕｎｉ—　ｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｓｏｃｉａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　Ｅｄｉｔｉｏｎ，２０１０，Ｓ１：　４９－５】．　Ｗａｎｇ　Ｄ　Ｄ，Ｇｕｏ　Ｄ　Ｃ，Ｗａｎｇ　Ｊ．Ａ　ｐａｒａｌｌｅｌ　ｒｏｕｔｉｎｇ　ａｌｇｏｒｉｔｈ—　ｎｏｎ　ｓｔａｒ　ｇｒａｐｈ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈａｍｉｈｏｎｉａｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　（上接第７４页）　［６］曾桂英，潘金艳．基于ＦＰＧＡ的ＣＭＯＳ图像传感器采集　系统设计［Ｊ］．科学技术与工程，２０１０，１０（３）：６９２－６９５　Ｚｅｎｇ　Ｇ　Ｙ．Ｐａｎ　Ｊ　Ｙ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＣＭＯＳ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｉｍａｇｅ　ａｃ—　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＭＯＳ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ『Ｊ］．Ｍｏｄｅｒｎ　Ｅｌｅｃ—　ｔｒｏｎｉｃ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１２，３５（１４）：１７８—１８１．　［１１］刘泽伟，解梅．基于ＦＰＧＡ的视频图像采集系统的设计　与实现［Ｊ］．仪器与仪表学报，２００８，２９（４），３８２—３８５．　Ｌｉｕ　Ｚ　Ｗ，Ｘｉｅ　Ｍ．Ａ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｖｉｄｅｏ　ｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，１０（３）：６９２－６９５．　［７］谢磊．基于ＦＰＧＡ的ＶＧＡ图像控制器的设计与实现　［Ｊ］．新乡学院学报，２００９，２６（６）：５１－５３．　Ｘｉｅ　Ｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＶＧＡ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＦＰＧＡ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｔｉｉｆｃ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００８，２９（４），３８２—３８５．　［１２］ＯｍｎｉＶｉｓｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｃ．ＯＶ７６７０／ＯＶ７１７１　ＣＭＯＳ　ＶＧＡ（６４０ｘ４８０）ＣＡＭＥＲＡＣＨＩＰ　ｗｉｔｈ　ＯｍｎｉＰｉｘｅｌ　Ｔｅｃｈ—　ｏｎ　ＦＰＧＡ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｘｉｎｘｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，２６　（６）：５１—５３．　［８］侯舒志，姚素英，周津，等．ＣＭＯＳ图像传感器时序控制　ｎｏｌｏｇｙ［ＥＢ／ＯＬ］．［２００６－０４－０５］．ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｏｖｔ．ｃｏｒｎ．　［１３］王晗，李翔，李忠敏，等．基于０Ｖ７６７０的图像采集与显　方法研究与实现［Ｊ］．固体电子学研究与进展，２００７，２７　（１）：１１９・１２２．　Ｈｏｕ　Ｓ　Ｚ，Ｙａｏ　Ｓ　Ｙ，Ｚｈｏｕ　Ｊ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔ—　示设计［Ｊ］．中国科技信息，２０１３（１１）：９０－９１．　Ｗａｎｇ　Ｈ，Ｌｉ　Ｘ，Ｌｉ　Ｚ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｉｍａｇｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｄｉｓ—　ａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｉｍｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｆｏｒ　ＣＭＯＳ　ｉｍａｇｅ　ｓｅｎｓｏｒ　　ＩＪ　１．Ｒｅ—　ｐｌａｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＯＶ７６７０［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１３（１１）：９０－９１．　ｓｅａｒｃｈ＆Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ＳＳＥ，２００７，２７（１）：１１９—１２２．　［９］Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ａ．Ｃｙｃｌｏｎｅ　ＦＰＧＡ　ｆａｍｉｌｙ　ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．　［１４］Ｐｈｉｌｉｐｓ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅ　Ｉ２Ｃ—ｂｕｓ　ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎ［ＥＢ／　ＯＬ］．［２０００－０１］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｐｈｉｌｉｐｓ．ｃｏｒｎ．ｃｎ．　［１５］Ｖｉｄｅｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．ＶＥＳＡ　ａｎｄ　ｉｎ—　ｄｕｓｔｒｙ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ａｎｄ　ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ　ｆｏｒ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｍｏｎｉ—　［２０１１＿ｏ４　１］．ｈｔｔｐ：∥－￣ｑ，￣ｃｗ．ａｌｔｅｒａ．ｅｏｍ．ｃｎ．　［１０］丁吴杰，刘敬彪，盛庆华．基于ＣＭＯＳ图像传感器的视　频采集系统设计［Ｊ］．现代电子技术，２０１２，３５（１４）：　１７８—１８１．　ｔｏｒ　ｔｉｍｉｎｇ［ＥＢ／ＯＬ］．［２００４—１０－２９］．ｈｔｔｐ：／／ｂｂｓ．ｅｌｅｃ—　ｆａｎｓ．ｃｏｍ．　Ｄｉｎｇ　Ｈ　Ｊ．Ｌｉｕ　Ｊ　Ｂ．Ｓｈｅｎｇ　Ｑ　Ｈ．Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｖｉｄｅｏ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ