基于FPGA的工业相机项目大赏1——cmos线阵相机_fpga coms

摘要

本文关于基于fpga的cmos工业相机项目工程概览与总结，涉及以下内容：

1、模块总结：整体设计方案、子模块划分、关键技术点/信号

2、调试：关键模块、信号的仿真、调试总结

3、硬件布局：引脚配置、核心供电等硬件、结构设计总结

4、方案优化：现有方案的优化、改造及向新方案的靠拢分析

1模块总结

1.1概述

●CMOS CL0402 作为图像传感芯片，曝光后产生一定格式的图像数据；

●FPGA ZYNQ7020 作为主控芯片负责cmos驱动控制、图像像素的采集、cmos寄存器的配置、cameralink协议的实现、上位机串口通信的实现；

●Cameralink端子实现图像数据的高速串行发送，将数据传送至采集卡PC端。

系统工作流程如下: FPGA 上电加载配置程序，计算机通过异步串口向 FPGA 发送控制信息，FPGA对接收的控制信息进行分析判断。通过SPI接口设 置 CMOS 工 作 模 式，通过判断的信息产生相机的驱动时序，实现相机的正常工作。相机被驱动后，数字图像数据通过 LVDS 信号输 出给主控芯片 FPGA，FPGA 将接收的图像数据进行处理，转换为 Camera-Link 标准数据，通过 Camera-Link 接口芯片输给后端装有 Camera-Link 采集卡的计算机，计算机对接收的数据进行处理、存储。

图 1-1 项目工作流程

1.1.1顶层端口

顶层的端口主要包括几个部分，分别是cmos触发端口、cmos寄存器配置端口、cmos图像数据端口、cameralink端口、串口通信端口

表1-1 顶层模块端口描述

1.1.2模块划分

整个fpga编程主要划分为以下几个部分或模块：

1. cmos 高速串行数据采集模块HSSDP
2. Cameralink传输模块 CameraLink_Transmitter
3. Cmos寄存器配置模块Cmos_Config_top
4. PC通信模块Communication
5. AXI协议模块
6. Zynq 系统配置核

将各子模块分别封装成独立模块，在顶层中例化使用。

图 1-3 模块划分结构图

表1-2 子模块功能描述

 图 1-4 项目的RTL视图

1.2主要子模块介绍

1.2.1 Cmos_Config_top 模块

主要负责寄存器的配置、实现spi读写协议、实现上电顺序控制。

图 2-1 Cmos_Config_top端口示意图

表 2-1 Cmos_Config_top主要端口描述

Cmos配置时序：

 图 2-2 Cmos上电时序图

图 2-3 spi写cmos寄存器时序

 图 2-4 spi读cmos寄存器时序

1.2.2 HSSDP 模块

端口描述：

 图 2-4 HSSDP端口示意图

表 2-2 HSSDP主要端口描述

Cmos数据格式： 

 图 2-5 cmos的数据读出格式

FPGA处理：

图 2-6 HSSDP 模块处理步骤 

 通过clk和data两对差分线进行传输，由于clk的布线与data的布线存在长短上的差异，主机传输到从机后clk和data的延时各不相同。如果我们希望在时钟上升沿上采集数据，但由于线的延时，可能在时钟上升沿时数据处于变化状态，这将会导致采集的数据错误。通过IDELAYE2原语可将某根信号线进行延时操作（目前状态延时1092ps），以达到在时钟上升沿数据处于稳定的操作。如果当clk和data信号延时较大时，仅仅使用IDELAYE2无法达到预期，此时ISERDESE2就派上用途。

 图 2-6 xilinx的SelectIO Logic Resources

 当ISERDESE2（例化12个）的输出端口为8位时，由于cmos的像素时12位的，需要进行bit拼接。

 图 2-7 xilinx的ISERDES2 示意图

图 2-8 缓存排序仿真

1.2.3 CameraLink_Transmitter模块

端口描述：

图 2-15 communication模块端口示意图

表 2-3 communication模块主要端口描述

cmos 触发时序：

内部触发

定义：相机通过设备内部信号采集每行图像，并根据相关参数的设置输出每帧图像。

 图 2-16 cmos触发信号时序

● Trigger signal：fpga内部根据时序和上位机参数要求产生

● 触发源：无

● 参数：每帧的行数、帧/行频、曝光时间

相关参数:

1)每帧行数

帧触发时，用来控制输出图像的高度

2)曝光时间

曝光时间=T_high+Td1 

 3）行/帧频

行时间=T_high+T_low；行频=1/（T_high+T_low）

帧时间=Hwidth*行时间；帧频=1/帧时间。

1.2.5 时钟部分

时钟概述：

图 2-17 主要时钟信号示意图

时钟说明：

CMOS_SLVS_C_n(p):cmos 输出的像素采样时钟，240M，为DDR差分对时钟信号。用于串行像素数据信号的采样。

Clk_to_pins_n（p）：cameralink接口的时钟输入40M

Clkp（n）_in: cmos的驱动时钟480M。

HSSDP：将输入的差分时钟转单端，再利用分频器将其分频为80M时钟，作为ISERDES2的快、慢时钟输入。

Cameralink_Transmitter: pll1生成两路时钟分别是280M和40M，pll0对pll1输出的280M时钟进行相位调整。280M和40M分别作为OSERDES2的快。慢时钟输入。

>>>>>>>>end!

这篇博文旨在介绍工业相机项目所涉及到的各个子模块大致情况，具体设计细节和技术要点会陆续分章节发布，敬请期待！谢谢