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名廠專場:詳解I2C總線的圖像傳感器配置

發(fā)布時間:2015-06-25 責任編輯:sherry

【導讀】基于I2C總線的圖像傳感器配置在視頻圖像采集處理系統(tǒng)中非常普遍,本設計結合了FPGA 的可編程特性,采用模塊化的方法設計方法完成了I2C 配置電路的設計,詳細介紹了各個模塊的設計流程和實現(xiàn)方式,最后對整個設計進行了仿真,驗證了設計的正確性。
 
基于FPGA 的嵌入式圖像檢測系統(tǒng)因其快速的處理能力和靈活的編程設計使得它在工業(yè)現(xiàn)場的應用非常廣泛,通常這些系統(tǒng)都是通過采集圖像數據流并對它實時處理得到所需的特征信息。圖像數據的獲取是整個系統(tǒng)的第一步,作為整個系統(tǒng)的最前端,它決定了原始數據的質量,是整個系統(tǒng)成功的關鍵。CMOS 圖像傳感器采用CMOS 工藝,可以將圖像采集單元和信號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,這使得它在嵌入式圖像處理領域的運用越來越多。CMOS 圖像傳感器芯片大都把 I2C 總線的一個子集作為控制接口,用戶可以很方便地對芯片進行編程操作,根據設計要求的不同配置圖像傳感器內部寄存器數據,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 硬件描述語言設計了I2C 總線的接口電路,以FPGA 作為核心控制器實現(xiàn)了對MT9P031 初始化操作,不僅驗證了I2C 總線的配置效果,得到了理想的圖像數據,還為后續(xù)線結構光圖像的處理系統(tǒng)奠定了基礎。
 
1 I2C 總線協(xié)議及MT9P031 配置過程介紹
 
1.1 I2C 總線協(xié)議
 
I2C(Inter-Integrated Circuit Bus) 總線是由PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式用于芯片之間連接的總線,由于其接口線少,控制方式簡單,通信速率較高等特點,在單片機、串行EEPROM 等器件中有著廣泛的使用。I2C 總線用兩根信號線來進行數據傳輸,一根為串行數據(SDA, Serial Data),另一根為串行時鐘線(SCL, Serial Clock)。若干兼容器件(如存儲器、A/D、D/A、LCD 驅動器等)可以共享I2C 總線。I2C 總線上所有器件依靠SDA 發(fā)送的地址信號尋址,不需要片選線。任何時刻總線只能由一個主器件控制,各從器件在總線空閑時啟動數據傳輸。
 
1.2 MT9P031 配置時序分析
 
由于檢測系統(tǒng)需求的不同,圖像傳感器可能要工作在不同的模式,因此需要通過外部控制器對其內部寄存器進行讀寫操作,完成具體的配置。典型的寫MT9P031 寄存器時序如圖1 所示,起始信號過后,F(xiàn)PGA 先寫入設備(即MT9P031)的地址0xBA,然后釋放SDATA 數據總線,隨后MT9P031 返回一個應答信號ACK,F(xiàn)PGA 獲取應答信號后,經過一個時鐘周期再傳送待配置的寄存器地址0x09,在獲取應答信號后再傳送16 位的寄存器數據,由于每次只能發(fā)送8 位數據,所以這16位的寄存器數據要分兩次才能發(fā)送完畢,先發(fā)送的是高八位數據,后發(fā)送的為低八位數據,每發(fā)送完一個字節(jié)的數據,F(xiàn)PGA均會獲取一位的應答信號,然后結束一個傳送周期,完成一個寄存器的配置,即IDAddress+ SUB-Address + W-Data 總共32位的數據。重復上述過程可以對不同的寄存器進行不同的參數配置。
寫MT9P031 時序圖
圖1 寫MT9P031 時序圖
 
2 FPGA 模塊設計
 
為了實現(xiàn)對圖像傳感器的正確配置,必須嚴格按照MT9P031 的配置時序完成設計,本設計中I2C 總線配置模塊主要由三個小模塊構成,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。
 I2C 總線配置模塊結構框圖
圖2 I2C 總線配置模塊結構框圖
 
I2C_Clock_Generator 主要產生負責產生I2C 串行時鐘信號,根據協(xié)議數據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,為了保證配置的準確性和成功率,設計中采用了100Kb/ 的速度模式,即SCLK 的頻率為100KHz,因為FPGA 外部輸入的時鐘為50MHz,所以需要對其分頻獲得。同時該模塊還負責產生數據傳輸有效信號,保證SDAT 的改變發(fā)生在SCLK 的低電平時段。
 
Register_Value 其實一個查找表,負責保存MT9P031 內部需要配置的寄存器地址和數據,查找表內數據的位數都是24bit,單獨作為一個模塊的目的是為了方便用戶改變配置數據,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計的核心模塊,主要完成了啟停命令產生、字節(jié)發(fā)送和讀取、應答信號采集等功能。同時,I2C_Controller 模塊還產生I2C讀寫時序,由狀態(tài)機嚴格按照I2C 協(xié)議實現(xiàn),將Register Value 部分送出的24 位操作碼I2C_DAT 轉化成為正確的I2C 時序。一個寄存器的數據傳輸完成后,模塊還將判斷寄存器配置數據是否發(fā)送順利,如果一切正常,LUT_INDEX 信號會自動加一,控制Register Value 查找表產生下一個寄存器的地址和數據。
 
3 I2C 接口的仿真及調試
 
為了驗證MT9P031 配置過程中I2C時序的正確性,本設計在Modelsim Se10.1c 版軟件平臺中對整個模塊進行了功能仿真,在Test bench 中模擬了50MHz 控制時鐘以及復位信號,觀察最終輸出端的波形情況。圖3 是對MT9P031 的寄存器地址0x00 進行讀操作的仿真波形圖,圖4是對寄存器地址0x01 寫入0x01EA 的仿真波形圖。
讀取寄存器0x00 的波形仿真
圖3 讀取寄存器0x00 的波形仿真
向寄存器0x01 寫入數據0x01EA 的波形仿真
圖4 向寄存器0x01 寫入數據0x01EA 的波形仿真
 
4 總結
 
基于I2C總線的圖像傳感器配置在視頻圖像采集處理系統(tǒng)中非常普遍,本設計結合了FPGA 的可編程特性,采用模塊化的方法設計方法完成了I2C 配置電路的設計,詳細介紹了各個模塊的設計流程和實現(xiàn)方式,最后對整個設計進行了仿真,驗證了設計的正確性。綜合調試后占用資源極小,可靠性高,而且利用Verilog 硬件描述語言的設計使得可移植性很強,具有廣泛的應用價值。
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