基于FPGA實(shí)現(xiàn)OmniVision圖像傳感器的SCCB總線協(xié)議

王水魚，王 欣（西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 7100048）

基于FPGA實(shí)現(xiàn)OmniVision圖像傳感器的SCCB總線協(xié)議

王水魚，王 欣
（西安理工大學(xué) 自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 7100048）

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

FPGA；OmniVision圖像傳感器；SCCB

0 引言

視頻信號(hào)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(duì)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)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(chǎng)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(diǎn)，對(duì)于視頻采集是非常理想的選擇與趨勢(shì)［1］。

OmniVision圖像傳感器具有獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)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(duì)寄存器進(jìn)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(jìn)行輸出，即對(duì)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(shí)現(xiàn)的，利用FPGA實(shí)現(xiàn)圖像采集的關(guān)鍵是在FPGA中實(shí)現(xiàn)SCCB總線協(xié)議［2-3］。

1 SCCB總線協(xié)議

串行攝像機(jī)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(shí)鐘信號(hào)SIO_C、數(shù)據(jù)信號(hào)SIO_D和使能信號(hào)SCCB_E組成，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)主器件對(duì)多個(gè)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(hào)SIO_D和時(shí)鐘信號(hào)SIO_C，但是省去SCCB_E后的SCCB總線只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)主器件對(duì)一個(gè)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(shí)序

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

圖2 2線SCCB功能框圖

圖3 SCCB起始信號(hào)

圖4 SCCB終止信號(hào)

1.2 SCCB寫時(shí)序

相（Phase）是SCCB進(jìn)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(shí)分別為自由位（Don′t care bit）和NA位（Ninth bit of a Read phase）。寫時(shí)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+WData，如圖5所示。

圖5 SCCB3相寫傳輸周期

1.3 SCCB數(shù)據(jù)傳輸有效性

SCCB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，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(shí)序圖如圖6所示。

圖6 SCCB數(shù)據(jù)傳輸有效圖

2 模塊設(shè)計(jì)

基于FPGA通過SCCB總線對(duì)OV7670初始化就是對(duì)攝像頭的寄存器進(jìn)行配置，使其按照設(shè)定的輸出要求進(jìn)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(gè)子模塊：分頻器、SCCB狀態(tài)控制模塊、數(shù)據(jù)查找表。這幾個(gè)模塊都是在QuartusII環(huán)境中用Verilog設(shè)計(jì)完成的。下面分別介紹這3個(gè)子模塊。

圖7 攝像頭寄存器配置流程圖

2.1 分頻器

由于系統(tǒng)時(shí)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(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行分頻達(dá)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(jìn)行更換［6］。

2.2 SCCB狀態(tài)控制模塊

FPGA作為SCCB的主機(jī)，SCCB狀態(tài)控制模塊采用同步狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)方法來模擬SCCB的寫時(shí)序，從而完成對(duì)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(shí)序規(guī)范順序送給SCCB狀態(tài)控制模塊。

3 硬件實(shí)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(tái)是QUARTUSII13.0。將本實(shí)例中所設(shè)計(jì)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(duì)SCCB總線模塊進(jìn)行功能仿真。仿真波形如圖8所示，可以明確看出：當(dāng)SIO_C位高時(shí)SIO_D由高變低時(shí)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(dāng)SIO_C位高時(shí)SIO_D由低變高時(shí)表明結(jié)束，其時(shí)序符合SCCB總線時(shí)序規(guī)范。

圖8 仿真波形圖

4 結(jié)論

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

［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(shí)現(xiàn)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，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(shí)時(shí)圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)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(jì)［D］.呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2014.

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

The implementation of SCCB bus of OmniVision image sensor based on FPGA

Wang Shuiyu，Wang Xin
（School of Automation and Information Engineering，Xi′an University of Technology，Xi′an 710001，China）

Based on the FPGA chip of Atera company，do the preparatory work before the image acquisition of OmniVision image sensor.Through the GPIO port of FPGA analog SCCB（serial camera control bus）bus protocol to configure sensor registers，so as to complete the initialization of the sensor，and make the camera normally operate.

FPGA；OmniVision image sensor；SCCB

TP336

A

1674-7720（2015）20-0031-02

王水魚，王欣.基于FPGA實(shí)現(xiàn)OmniVision圖像傳感器的SCCB總線協(xié)議［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（20）：31-32，35.

2015-07-29）

王水魚（1958-），男，碩士，副教授，主要研究方向：信號(hào)采集系統(tǒng)與電子測(cè)量。

王欣（1988-），女，碩士研究生，主要研究方向：信號(hào)采集系統(tǒng)與電子測(cè)量。