摘  要： 基于Atera公司的FPGA芯片對OmniVision圖像傳感器進行圖像采集前的準備工作，通過FPGA的GPIO端口模擬SCCB（串行攝像機控制總線）總線協(xié)議對傳感器的寄存器進行配置，從而完成對傳感器的初始化，使得攝像頭得以正常運行。

　　關(guān)鍵詞： FPGA；OmniVision圖像傳感器；SCCB

0 引言

　　視頻信號處理系統(tǒng)的前端部分是視頻圖像采集，是視頻監(jiān)控、信息處理等系統(tǒng)的前端需要，對后端圖像處理系統(tǒng)的性能有著直接的影響。近年來，隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，人們對視頻采集的要求越來越高，正在向高速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向發(fā)展?，F(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）具有規(guī)模大、集成度高、可靠性高等優(yōu)點，對于視頻采集是非常理想的選擇與趨勢[1]。

　　OmniVision圖像傳感器具有獨有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學或電子缺陷（如固定圖案噪聲、托尾、浮散等），提高圖像質(zhì)量，得到清晰穩(wěn)定的彩色圖像，并具有軟件可編程性，從而決定了此系列的傳感器應(yīng)用越來越廣泛。傳感器正常工作的前提是對寄存器進行配置，使其按照需要的輸出方式、圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)格式進行輸出，即對其初始化。OmniVision傳感器的初始化是通過SCCB總線協(xié)議的方式實現(xiàn)的，利用FPGA實現(xiàn)圖像采集的關(guān)鍵是在FPGA中實現(xiàn)SCCB總線協(xié)議[2-3]。

1 SCCB總線協(xié)議

　　串行攝像機控制總線（Serial Camera Control Bus，SCCB）由OmniVision公司開發(fā)，廣泛應(yīng)用于OV系列圖像傳感器上，是一種串行3線的總線，它由時鐘信號SIO_C、數(shù)據(jù)信號SIO_D和使能信號SCCB_E組成，可實現(xiàn)一個主器件對多個從器件的控制，如圖1所示。本文把芯片的引腳縮減為兩根，只用數(shù)據(jù)信號SIO_D和時鐘信號SIO_C，但是省去SCCB_E后的SCCB總線只能實現(xiàn)一個主器件對一個從器件的控制，如圖2所示。在本文中FPGA為主控件，OV系列傳感器為從器件[4]。

　　1.1 SCCB起始和終止時序

　　起始信號和終止信號都是由FPGA產(chǎn)生的，當SIO_C是高電平時，SIO_D從高電平轉(zhuǎn)到低電平時產(chǎn)生起始信號，如圖3所示；當SIO_C是高電平時，SIO_D從低電平轉(zhuǎn)到高電平時產(chǎn)生終止信號，如圖4所示。

　　1.2 SCCB寫時序

　　相（Phase）是SCCB進行數(shù)據(jù)傳遞的基本單位，一相由連續(xù)傳輸?shù)?位數(shù)據(jù)與其后的第9位（共9位）組成。第9位在讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)時分別為自由位（Don′t care bit）和NA位（Ninth bit of a Read phase）。寫時序由3相構(gòu)成，先寫設(shè)備地址，再寫寄存器地址，最后再寫需要配置的寄存器的數(shù)據(jù)，即ID-Address+SUB-Address+W-Data，如圖5所示。

　　1.3 SCCB數(shù)據(jù)傳輸有效性

　　SCCB總線進行數(shù)據(jù)傳送時，SIO_C為高電平期間，SIO_D上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，只有在SIO_C為低電平期間，SIO_D的高低電平狀態(tài)才允許變化。其時序圖如圖6所示。

2 模塊設(shè)計

　　基于FPGA通過SCCB總線對OV7670初始化就是對攝像頭的寄存器進行配置，使其按照設(shè)定的輸出要求進行數(shù)據(jù)輸出[5]。攝像頭寄存器配置流程圖如圖7所示。SCCB控制模塊分為3個子模塊：分頻器、SCCB狀態(tài)控制模塊、數(shù)據(jù)查找表。這幾個模塊都是在QuartusII環(huán)境中用Verilog設(shè)計完成的。下面分別介紹這3個子模塊。

　　2.1 分頻器

　　由于系統(tǒng)時鐘頻率與SCCB控制模塊的數(shù)據(jù)傳輸頻率不一致，因此要對系統(tǒng)時鐘進行分頻達到SCCB總線模塊SIO_C的頻率，并且通過調(diào)整分頻模塊中的分頻系數(shù)來進行更換[6]。

　　2.2 SCCB狀態(tài)控制模塊

　　FPGA作為SCCB的主機，SCCB狀態(tài)控制模塊采用同步狀態(tài)機的設(shè)計方法來模擬SCCB的寫時序，從而完成對傳感器寄存器的配置。

　　2.3 數(shù)據(jù)查找表

　　將需要配置的傳感器寄存器地址和寄存器的配置數(shù)據(jù)都存放在數(shù)據(jù)查找表中，根據(jù)SCCB的時序規(guī)范順序送給SCCB狀態(tài)控制模塊。

3 硬件實現(xiàn)及仿真

　　硬件調(diào)試工作所選用的FPGA是Altera公司FPGA芯片，Verilog綜合及仿真平臺是QUARTUSII 13.0。將本實例中所設(shè)計的SCCB控制模塊的Verilog源代碼通過QuartusII編譯后，并在QuartusII環(huán)境下編寫TestBench文件，從而利用與Modelsim的無縫鏈接對SCCB總線模塊進行功能仿真。仿真波形如圖8所示，可以明確看出：當SIO_C位高時SIO_D由高變低時表明開始位；經(jīng)過8位傳感器地址位、1位Don′t care、8位寄存器地址位、1位Don′t care、8位寄存器配置數(shù)據(jù)、1位Don′t care的數(shù)據(jù)傳輸；當SIO_C位高時SIO_D由低變高時表明結(jié)束，其時序符合SCCB總線時序規(guī)范。

4 結(jié)論

　　本文利用FPGA模擬SCCB總線的時序?qū)mniVision圖像傳感器的寄存器進行配置，使其可以按照特定的要求進行圖像輸出。該設(shè)計對OV系列的傳感器具有通用性，對圖像采集前端的設(shè)計具有重要意義。

參考文獻

　　[1] 方彩婷，葉盛，汪雪峰，等.基于FPGA的數(shù)字高清CMOS遙感成像技術(shù)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2015，41（4）：43-45.

　　[2] 苑瑋琦，湯永華.OmniVision圖像傳感器的SCCB總線協(xié)議在DSP中的實現(xiàn)[J].儀器儀表學報，2006（z2）：1687-1688.

　　[3] OmniVision Serial Camera Control Bus（SCCB） Functional Specification， Document Version； 2.1[Z].www.vot.com.

　　[4] 張歡，汪紅，王芳芳.基于FPGA的實時圖像處理實驗平臺設(shè)計[J].微型機與應(yīng)用，2014，３３（11）：２６-２8.

　　[5] 楊光耀.基于FPGA的圖像采集及處理系統(tǒng)設(shè)計[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學，2014.

　　[6] 陳景，李建華.基于FPGA的I2C讀寫控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（2）：86-88.