基于I2C總線圖像傳感器配置的FPGA實(shí)現(xiàn)

　　基于FPGA的嵌入式圖像檢測(cè)系統(tǒng)因其快速的處理能力和靈活的編程設(shè)計(jì)使得它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用非常廣泛，通常這些系統(tǒng)都是通過(guò)采集圖像數(shù)據(jù)流并對(duì)它實(shí)時(shí)處理得到所需的特征信息。圖像數(shù)據(jù)的獲取是整個(gè)系統(tǒng)的第一步，作為整個(gè)系統(tǒng)的最前端，它決定了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，是整個(gè)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。CMOS圖像傳感器采用CMOS工藝，可以將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上，因而在集成度、功耗、成本上具有很大優(yōu)勢(shì)，這使得它在嵌入式圖像處理領(lǐng)域的運(yùn)用越來(lái)越多。CMOS圖像傳感器芯片大都把I2C總線的一個(gè)子集作為控制接口，用戶可以很方便地對(duì)芯片進(jìn)行編程操作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同配置圖像傳感器內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，以獲取期望的圖像。本文以Aptina公司的MT9P031圖像傳感器為例，用Verilog硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)了I2C總線的接口電路，以FPGA作為核心控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)MT9P031初始化操作，不僅驗(yàn)證了I2C總線的配置效果，得到了理想的圖像數(shù)據(jù)，還為后續(xù)線結(jié)構(gòu)光圖像的處理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

　　1 I2C總線協(xié)議及MT9P031配置過(guò)程介紹

　　1.1 I2C總線協(xié)議

　　I2C(Inter-Integrated Circuit Bus)總線是由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式用于芯片之間連接的總線，由于其接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，通信速率較高等特點(diǎn)，在單片機(jī)、串行EEPROM等器件中有著廣泛的使用。I2C總線用兩根信號(hào)線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一根為串行數(shù)據(jù)(SDA， Serial Data)，另一根為串行時(shí)鐘線(SCL， Serial Clock)。若干兼容器件(如存儲(chǔ)器、A/D、D/A、LCD驅(qū)動(dòng)器等)可以共享I2C總線。I2C總線上所有器件依靠SDA發(fā)送的地址信號(hào)尋址，不需要片選線。任何時(shí)刻總線只能由一個(gè)主器件控制，各從器件在總線空閑時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。

　　1.2 MT9P031配置時(shí)序分析

　　由于檢測(cè)系統(tǒng)需求的不同，圖像傳感器可能要工作在不同的模式，因此需要通過(guò)外部控制器對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作，完成具體的配置。典型的寫(xiě)MT9P031寄存器時(shí)序如圖1所示，起始信號(hào)過(guò)后，FPGA先寫(xiě)入設(shè)備(即MT9P031)的地址0xBA，然后釋放SDATA數(shù)據(jù)總線，隨后MT9P031返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK，F(xiàn)PGA獲取應(yīng)答信號(hào)后，經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期再傳送待配置的寄存器地址0x09，在獲取應(yīng)答信號(hào)后再傳送16位的寄存器數(shù)據(jù)，由于每次只能發(fā)送8位數(shù)據(jù)，所以這16位的寄存器數(shù)據(jù)要分兩次才能發(fā)送完畢，先發(fā)送的是高八位數(shù)據(jù)，后發(fā)送的為低八位數(shù)據(jù)，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA均會(huì)獲取一位的應(yīng)答信號(hào)，然后結(jié)束一個(gè)傳送周期，完成一個(gè)寄存器的配置，即IDAddress+ SUB-Address + W-Data總共32位的數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過(guò)程可以對(duì)不同的寄存器進(jìn)行不同的參數(shù)配置。

　　圖1寫(xiě)MT9P031時(shí)序圖

　　2 FPGA模塊設(shè)計(jì)

　　為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像傳感器的正確配置，必須嚴(yán)格按照MT9P031的配置時(shí)序完成設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中I2C總線配置模塊主要由三個(gè)小模塊構(gòu)成，它們分別是I2C_Clock_Generator、I2C_Controller和Register_Value，各模塊之間的連接如圖2所示。

　　圖2 I2C總線配置模塊結(jié)構(gòu)框圖

　　I2C_Clock_Generator主要產(chǎn)生負(fù)責(zé)產(chǎn)生I2C串行時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸有三種速度模式：正常模式100Kb/s、快速模式400Kb/s、高速模式3.4Mb/s，為了保證配置的準(zhǔn)確性和成功率，設(shè)計(jì)中采用了100Kb/的速度模式，即SCLK的頻率為100KHz，因?yàn)镕PGA外部輸入的時(shí)鐘為50MHz，所以需要對(duì)其分頻獲得。同時(shí)該模塊還負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸有效信號(hào)，保證SDAT的改變發(fā)生在SCLK的低電平時(shí)段。

　　Register_Value其實(shí)一個(gè)查找表，負(fù)責(zé)保存MT9P031內(nèi)部需要配置的寄存器地址和數(shù)據(jù)，查找表內(nèi)數(shù)據(jù)的位數(shù)都是24bit，單獨(dú)作為一個(gè)模塊的目的是為了方便用戶改變配置數(shù)據(jù)，決定圖像傳感器的不同工作狀態(tài)。

　　I2C_Controller是圖像傳感器配置設(shè)計(jì)的核心模塊，主要完成了啟停命令產(chǎn)生、字節(jié)發(fā)送和讀取、應(yīng)答信號(hào)采集等功能。同時(shí)，I2C_Controller模塊還產(chǎn)生I2C讀寫(xiě)時(shí)序，由狀態(tài)機(jī)嚴(yán)格按照I2C協(xié)議實(shí)現(xiàn)，將Register Value部分送出的24位操作碼I2C_DAT轉(zhuǎn)化成為正確的I2C時(shí)序。一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)傳輸完成后，模塊還將判斷寄存器配置數(shù)據(jù)是否發(fā)送順利，如果一切正常，LUT_INDEX信號(hào)會(huì)自動(dòng)加一，控制Register Value查找表產(chǎn)生下一個(gè)寄存器的地址和數(shù)據(jù)。

　　3 I2C接口的仿真及調(diào)試

　　為了驗(yàn)證MT9P031配置過(guò)程中I2C時(shí)序的正確性，本設(shè)計(jì)在Modelsim Se10.1c版軟件平臺(tái)中對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行了功能仿真，在Test bench中模擬了50MHz控制時(shí)鐘以及復(fù)位信號(hào)，觀察最終輸出端的波形情況。圖3是對(duì)MT9P031的寄存器地址0x00進(jìn)行讀操作的仿真波形圖，圖4是對(duì)寄存器地址0x01寫(xiě)入0x01EA的仿真波形圖。

　　圖3讀取寄存器0x00的波形仿真

　　圖4向寄存器0x01寫(xiě)入數(shù)據(jù)0x01EA的波形仿真