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基于I2C总线图象传感器装备的FPGA完成

宣布时间:2015年06月18日 13:06    宣布者:designapp
要害词: 传感器 , CMOS , FPGA , 图象传感器
基于FPGA嵌入式图象检测系统因其快速的处置赏罚赏罚才干和无邪的编程设计使得它在工业现场的应用异常普遍,通常这些系统都是经由历程搜集图象数据流并对它实时处置赏罚赏罚取得所需的特点信息。图象数据的取得是一切系统的第一步,作为一切系统的最前端,它决议了原始数据的质量,是一切系统告成的要害。CMOS 图象传感器接纳CMOS 工艺,可以将图象搜集单元和旌旗暗记处置赏罚赏罚单元集成到统一块芯片上,是以在集成度、功耗、资源上具有很年夜优势,这使得它在嵌入式图象处置赏罚赏罚领域的应用愈来愈多。CMOS 图象传感器芯片年夜都把 I2C 总线的一个子集作为控制接口,用户可以很便利地对芯片阻拦编程操作,凭证设计请求的不合装备图象传感器外部存放器数据,以取得希冀的图象。本文以Aptina 公司的MT9P031 图象传感器为例,用Verilog 硬件形貌语言设计了I2C 总线的接口电路,以FPGA 作为焦点控制器完成了对MT9P031 初始化操作,不只验证了I2C 总线的装备效果,取得了理想的图象数据,还为后续线结构光图象的处置赏罚赏罚系统奠基了基础。

1 I2C 总线协定及MT9P031 装备历程简介

1.1 I2C 总线协定

I2C(Inter-Integrated Circuit Bus) 总线是由PHILIPS 公司开发的两线式用于芯片之间毗连的总线,由于其接口线少,控制要领质朴,通讯速率较高等特点,在单片机、串行EEPROM 等器件中有着普遍的应用。I2C 总线用两根旌旗暗记线来阻拦数据传输,一根为串行数据(SDA, Serial Data),此外一根为串行时钟线(SCL, Serial Clock)。若干兼容器件(如存储器、A/D、D/A、LCD 驱动器等)可以共享I2C 总线。I2C 总线上一切器件依附SDA 发送的地址旌旗暗记寻址,不须要片选线。任甚么时间辰总线只能由一个主器件控制,各从器件在总线余暇时启动数据传输。

1.2 MT9P031 装备时序剖析

由于检测系统需求的不合,图象传感器能够要使命在不合的形式,是以须要经由历程外部控制器对其外部存放器阻拦读写操作,完成详细的装备。尺度的写MT9P031 存放器时序如图1 所示,肇端旌旗暗记事后,FPGA 先写入装备(即MT9P031)的地址0xBA,然后释放SDATA 数据总线,随后MT9P031 前往一个应对旌旗暗记ACK,FPGA 取得应对旌旗暗记后,经由一个时钟周期再传送待装备的存放器地址0x09,在取得应对旌旗暗记后再传送16 位的存放器数据,由于每次只能发送8 位数据,以是这16位的存放器数据要分两次才干发送终了,先发送的是高八位数据,后发送的为低八位数据,每发送完一个字节的数据,FPGA均会取得一名的应对旌旗暗记,然后阻拦一个传送周期,完成一个存放器的装备,即IDAddress+ SUB-Address + W-Data 总共32位的数据。重复上述历程可以对不合的存放器阻拦不合的参数装备。


图1 写MT9P031 时序图

2 FPGA 模块设计

为了完成对图象传感器的准确装备,必须严酷凭证MT9P031 的装备时序完成设计,本设计中I2C 总线装备模块主要由三个小模块组成,它们划分是I2C_Clock_Generator、I2C_Controller 和Register_Value,各模块之间的毗连如图2 所示。


图2 I2C 总线装备模块结构框图

I2C_Clock_Generator 主要发生担负发生I2C 串行时钟旌旗暗记,凭证协定数据传输有三种速率形式:正常形式100Kb/s、快速形式400Kb/s、高速形式3.4Mb/s,为了保证装备的准确性和告成率,设计中接纳了100Kb/ 的速率形式,即SCLK 的频率为100KHz,由于FPGA 外部输入的时钟为50MHz,以是须要对其分频取得。同时该模块还担负发生数据传输有用旌旗暗记,保证SDAT 的改变发生在SCLK 的低电寻常浅易段。

Register_Value 着实一个查找表,担负生涯MT9P031 外部须要装备的存放器地址和数据,查找表内数据的位数都是24bit,伶仃作为一个模块的目的是为了便应用户改变装备数据,决议图象传感器的不合使命状态。

I2C_Controller 是图象传感器装备设计的焦点模块,主要完成了启停敕令发生、字节发送和读取、应对旌旗暗记搜集等功效。同时,I2C_Controller 模块还发生I2C读写时序,由状态机严酷凭证I2C 协定完成,将Register Value 部门送出的24 位操作码I2C_DAT 转化成为准确的I2C 时序。一个存放器的数据传输完成后,模块还将断定存放器装备数据能否发送顺遂,假定一切正常,LUT_INDEX 旌旗暗记会自动加一,控制Register Value 查找表发生下一个存放器的地址和数据。
        
3 I2C 接口的仿真及调试

为了验证MT9P031 装备历程当中I2C时序的准确性,本设计在Modelsim Se10.1c 版软件平台中对一切模块阻拦了功效仿真,在Test bench 中模拟了50MHz 控制时钟和复位旌旗暗记,不雅不雅察事实输入真个波形情形。图3 是对MT9P031 的存放器地址0x00 阻拦读操作的仿真波形图,图4是对存放器地址0x01 写入0x01EA 的仿真波形图。


图3 读取存放器0x00 的波形仿真


图4 向存放器0x01 写入数据0x01EA 的波形仿真

4 总结

基于I2C总线的图象传感器装备在视频图象搜集处置赏罚赏罚系统中异常普遍,本设计联络了FPGA 的可编程特点,接纳模块化的措施设计措施完成了I2C 装备电路的设计,详细简介了各个模块的设计流程和完成要领,最后对一切设计阻拦了仿真,验证了设计的准确性。综合调试后占用资源极小,可靠性高,而且应用Verilog 硬件形貌语言的设计使得可移植性很强,具有普遍的应用价值。
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