FPGA设计——全局曝光CMOS图像采集与USB2.0显示

1. 概述
本设计采用FPGA技术，将CMOS摄像头(LVDS接口)的视频数据经过采集、存储、帧率转换及格式转换，最终通过USB2.0接口显示在电脑屏幕上。

2. 硬件系统框图
CMOS采用一款全局曝光芯片，FPGA采用ALTERA公司的CYCLONE IV，FLASH采用EPCS64，DDR2采用Hynix公司的1Gb内存条，USB2.0采用Cypress公司的68013芯片。




3. FPGA逻辑框图
FPGA各部分逻辑模块如下图所示：




LVDS Decode，解码CMOS摄像头视频数据；

I2C Master，配置CMOS芯片；
DDR2 Control，配置与控制DDR2芯片组，实现读写仲裁；
FIFO Write，将采集到的视频数据跨时钟域地写进DDR2中；
FIFO Read，将DDR2中的数据跨时钟域地读出给后续图像处理模块；
Frame Buffer，负责FIFO Write和FIFO Read的调度，实现帧率转换；
USB Control，接受USB PHY的请求，通过FIFO Read向DDR2索取数据，并自定义打包发送给USB PHY芯片。

4. 全局曝光
全局曝光是针对逐行曝光的改进，在逐行曝光下，sensor是按照行为单位进行逐行曝光，这样当被摄物体和sensor存在高速的相对运动时，图像会发生形状和颜色的变形，如下图所示：




而全局曝光则是以帧为单位进行曝光，可以拍摄到高速运动的物体且没有变形。

5. LVDS解码
摄像头芯片提供差分串行接口(LVDS)，支持1/2/4个Data lane来传输图像8/10/12 bit数据。这里以4个data lane，同步信号内嵌的模式为例，介绍其传输时序。




6. CMOS配置
CMOS sensor支持最高130万像素，240帧的视频输出。

SpiWriteRegister(0x01,0x03,0x01);// soft reset
SpiWriteRegister(0x01,0x00,0x00);SpiWriteRegister(0x30,0x34,0x01);SpiWriteRegister(0x30,0x35,0xc2);
SpiWriteRegister(0x33,0x0b,0x4c);SpiWriteRegister(0x36,0x64,0x09);SpiWriteRegister(0x36,0x38,0x82);
SpiWriteRegister(0x3d,0x08,0x00);SpiWriteRegister(0x36,0x40,0x03);SpiWriteRegister(0x36,0x28,0x07);
SpiWriteRegister(0x32,0x05,0x93); //rnc
SpiWriteRegister(0x36,0x20,0x42);SpiWriteRegister(0x36,0x23,0x06);SpiWriteRegister(0x36,0x27,0x02);
SpiWriteRegister(0x36,0x21,0x28);SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x00);SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x24);
SpiWriteRegister(0x36,0x34,0xff);  //fpn optimize
SpiWriteRegister(0x34,0x16,0x10);SpiWriteRegister(0x3e,0x03,0x0b);SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x03);
SpiWriteRegister(0x3e,0x09,0x20);SpiWriteRegister(0x3e,0x01,0x23);
SpiWriteRegister(0x3e,0x14,0xb0);SpiWriteRegister(0x33,0x0b,0x40);SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x3f);
SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x80);SpiWriteRegister(0x36,0x23,0x07);SpiWriteRegister(0x50,0x00,0x01);
SpiWriteRegister(0x3e,0x01,0x00);SpiWriteRegister(0x3e,0x02,0x30);SpiWriteRegister(0x32,0x0c,0x05);
SpiWriteRegister(0x32,0x0d,0x46);SpiWriteRegister(0x32,0x0e,0x02);
SpiWriteRegister(0x32,0x0f,0x58);SpiWriteRegister(0x36,0x38,0x85);SpiWriteRegister(0x33,0x06,0x50);
SpiWriteRegister(0x33,0x0b,0x68);SpiWriteRegister(0x33,0x08,0x10);SpiWriteRegister(0x3e,0x01,0x00);
SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x00);SpiWriteRegister(0x36,0x63,0xf8);SpiWriteRegister(0x36,0x64,0x0a);
SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x27);SpiWriteRegister(0x30,0x3a,0x3a);
SpiWriteRegister(0x30,0x3a,0x3a);SpiWriteRegister(0x30,0x3a,0x3a);SpiWriteRegister(0x30,0x3a,0x3a);
SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x00);SpiWriteRegister(0x34,0x16,0x38);SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x23);
SpiWriteRegister(0x3c,0x00,0x41); //FIFO RESET for mipi
SpiWriteRegister(0x30,0x19,0x00);
SpiWriteRegister(0x30,0x31,0x0a); // 10bit
SpiWriteRegister(0x30,0x00,0x00);SpiWriteRegister(0x30,0x01,0x00);SpiWriteRegister(0x30,0x39,0x20);
SpiWriteRegister(0x30,0x3a,0x31);SpiWriteRegister(0x30,0x3b,0x02);SpiWriteRegister(0x30,0x3c,0x08);
SpiWriteRegister(0x4b,0x00,0xa2); //must
SpiWriteRegister(0x30,0x22,0x19); //must
SpiWriteRegister(0x30,0x3f,0x01); //must
SpiWriteRegister(0x30,0x30,0x04); //must
SpiWriteRegister(0x30,0x2b,0xa0); //must
SpiWriteRegister(0x36,0x20,0x43);SpiWriteRegister(0x36,0x21,0x18);SpiWriteRegister(0x45,0x01,0xc0);
SpiWriteRegister(0x45,0x02,0x16); //br recieve inv off
SpiWriteRegister(0x36,0x23,0x07);SpiWriteRegister(0x50,0x00,0x01);SpiWriteRegister(0x36,0x20,0x43);
SpiWriteRegister(0x33,0x00,0x30);SpiWriteRegister(0x3e,0x01,0x14);SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x80);
SpiWriteRegister(0x36,0x64,0x0a);SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x23);
SpiWriteRegister(0x34,0x16,0x00);SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x20);
SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x23);SpiWriteRegister(0x32,0x11,0x0c);SpiWriteRegister(0x3e,0x0f,0x05);
SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x08); //fpn
SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x22); //nvdd
SpiWriteRegister(0x33,0x02,0x0c);//rst go low
SpiWriteRegister(0x33,0x83,0x0a);// pbias en rise edge
SpiWriteRegister(0x36,0x23,0x04);
SpiWriteRegister(0x33,0x82,0x0f); //sa fall edge
SpiWriteRegister(0x3e,0x0f,0x84);  //gain
SpiWriteRegister(0x3e,0x0e,0x03);  //gain
SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x27);SpiWriteRegister(0x3e,0x08,0x23);SpiWriteRegister(0x36,0x64,0x05);
SpiWriteRegister(0x33,0x0b,0x68);
SpiWriteRegister(0x36,0x38,0x84);SpiWriteRegister(0x5b,0x00,0x02);SpiWriteRegister(0x5b,0x01,0x03);
SpiWriteRegister(0x5b,0x02,0x01);SpiWriteRegister(0x5b,0x03,0x01);SpiWriteRegister(0x36,0x3b,0x02);
SpiWriteRegister(0x36,0x32,0x54);SpiWriteRegister(0x36,0x33,0x32);SpiWriteRegister(0x34,0x16,0x0e);
SpiWriteRegister(0x36,0x64,0x0e);SpiWriteRegister(0x36,0x63,0x88);SpiWriteRegister(0x33,0x0b,0x50);
SpiWriteRegister(0x36,0x22,0x06); //blksun
SpiWriteRegister(0x36,0x30,0xb3);SpiWriteRegister(0x34,0x16,0x11);SpiWriteRegister(0x01,0x00,0x01);

7. USB2.0 PHY
Cypress公司的EZ－USB FX2是世界上第一款集成USB2.0的微处理器，它集成了USB2.0收发器、SIE（串行接口引擎）、增强的8051微控制器和可编程的外围接口。




8. USB Slave FIFO传输
当有一个与芯片相连主控只需要利用FX2做为一个USB2.0接口而实现与主机的高速通讯，而它本身又能够提供满足Slave FIFO要求的传输时序时，可采用Slave FIFO传输方式。



这种方式下，内嵌的8051固件只负责配置Slave FIFO相关的寄存器以及控制FX2何时工作在Slave FIFO模式下。
在Slave FIFO模式下,主控逻辑与FX2的连接如下图所示：



IFCLK： FX2 输出的时钟，可做为通讯的同步时钟

FLAGA/FLAGB/FLAGC/FLAGD： FX2 输出的FIFO状态信息，如满，空等

SLCS：FIFO的片选信号，外部逻辑控制，当 SLCS 输出高时，不可进行数据传输

SLOE：FIFO输出使能，外部逻辑控制，当 SLOE 无效时，数据线不输出有效数据

SLRD：FIFO 读信号，外部逻辑控制，同步读时，FIFO指针在SLRD 有效时的每个IFCLK的上升沿递增，异步读时， FIFO 读指针在 SLRD 的每个有效—无效的跳变沿时递增

SLWR：FIFO 写信号，外部逻辑控制，同步写时，在 SLWR 有效时的每个 IFCLK 的上升沿时数据被写入， FIFO指针递增，异步写时，在SLWR的每个有效—无效的跳变沿时数据被写入，FIFO写指针递增

PKTEND：包结束信号，外部逻辑控制，在正常情况下，外部逻辑向 FX2 的 FIFO 中写数，当写入FIFO端点的字节数等于FX2固件设定的包大小时，数据将自动被打成一包进行传输，但有时外部逻辑可能需要传输一个字节数小于 FX2 固件设定的包大小的包，这时它只需在写入一定数目的字节后，声明此信号，此时 FX2 硬件不管外部逻辑写入了多少字节，都自动将之打成一包进行传输

FD[15:0]：数据线；

FIFOADR[1:0]：选择四个 FIFO 端点的地址线，外部逻辑控制

这里设置FIFO为异步写模式，连接的接口如下图所示：




标准的异步写模式的状态机如下图所示：



IDLE：当写事件发生时，进入状态1；

状态1：使FIFOADR[1:0]指向IN FIFO，进入状态2；
状态2：如果FIFO满，进入等待，否则进入状态3；
状态3：获取数据，使能SLWR，再无效，进入状态4；
状态4：如需继续传递数据，进入状态2，否则进入IDLE。

9. USB驱动开发
开发EZ-USB驱动程序需要用到微软的WDW DDK和VC++，DDK可从http://www.microsoft.com/hwdev获得。这里我们直接使用Cypress提供的一套驱动程序，足以满足一般项目需求。以WIN7 64位驱动为例，需以下三个文件：
cyusb.sys、cyusbfx1_fx2lp.cat、cyusbfx1_fx2lp.inf。
其中需要我们修改的是cyusbfx1_fx2lp.inf文件，在其中添加我们的PID/VID和描述符(Shugen_VIP Device)。

;for x64 platforms
[Device.NTamd64]
%VID_2017&PID_0328.DeviceDesc%=CyUsb, USB\VID_2017&PID_0328

[Strings]
CYUSB_Provider    = "Cypress"
CYUSB_Company     = "Cypress Semiconductor Corporation"
CYUSB_Description = "Cypress Generic USB Driver"
CYUSB_DisplayName = "Cypress USB Generic"
CYUSB_Install     = "Cypress CYUSB Driver Installation Disk"
VID_2017&PID_0328.DeviceDesc="Shugen_VIP Device"
CYUSB.GUID="{AE18AA60-7F6A-11d4-97DD-00010229B959}"
CYUSB_Unused      = "."

在设备管理器中安装好的驱动如下：




10. 固件程序开发
USB2.0的固件程序开发在KEIL下完成，在工程中添加EZUSB的USBJmp.OBJ和EZUSB.LIB两个目标和库文件，工程下有三个重要源文件：
fw.c， FirmWare的缩写，USB协议方面的通信都是在这里完成的，包括上电枚举、重枚举、唤醒及调用用户程序等。

periph.c，用户代码在这里完成，Cypress已经为我们搭好了框架。文件中包括void TD_Init(void)、void TD_Poll(void)、BOOL DR_VendorCmnd(void)、void ISR_Ep0in(void) interrupt 0～void ISR_Ep8inout(void) interrupt 0 函数。

dscr.51，USB描述符文件，包括了设备描述符、接口描述符、端点描述符、字符串等。

这里为了实现USB PHY芯片和FPGA的同步，需要用视频的场同步信号vsync来做同步，使用68013的INT0引脚实现中断触发，具体中断函数如下：

void ISR_EXTR0(void) interrupt  0 //using 0
{
if(frame_sign == 1){
PA1 = 1; //Enable image input
}
else
{
PA1 = 0; //Disable image input
//Reset FIFO of EDP2
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x80;// activate NAK-ALL to avoid race conditions
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x02;// reset, FIFO 2
SYNCDELAY;
FIFORESET = 0x00;// deactivate NAK-AL
SYNCDELAY;
}
}

设计好代码后，编译生成HEX文件(用于在线调试，下载到ram中)和IIC文件(用于固化EEPROM)。

11. 固化代码
将KEIL编译生成的IIC文件固化到EEPROM中需要使用CYPRESS提供的CyConsole工具，具体使用方法如下图所示：



如果固化成功，重启后可以在CyConsole中看到USB2.0设备的具体信息：




12. 上位机DEMO软件
在Windows下可以使用VC++开发应用软件，在设计68013上位机程序的过程中，需要用到CPYRESS官方提供的API函数和驱动程序。开发包地址如下： http://www.cypress.com/documentation/software-and-drivers/suiteusb-34-usb-development-tools-visual-studio 支持的操作系统：
Windows 2000(w2K) Windows XP (wxp) Windows Vista (wlh) Windows 7
支持的CPU类型：
x86(32bit-i386) x64(64bit-amd64)
开发过程需要使用cyapi.h和cyapi.lib两文件。CyAPI 控制函数类主要包括 8 个控制类：
传输端点控制类 CCyBulkEndPoint、控制传输端点类CCyControlEndPoint 、 中 断 传 输 端 点 控 制 类 CCyInterruptEndPoint 、 同 步 传 输 端 点 控 制 类CCyIsocEndPoint、设备控制类 CCyUSBDevice、配置信息类 CCyUSBConfig、端点控制类 CCyUSBEndPoint和接口控制类 CCyUSBInterface。具体的使用方法可以参考Cypress CyAPI Programmer's Reference

13. 最终结果

下图为用手机拍摄的风扇的图片，已经完全看不到扇叶的形状。



下图为设计的板卡拍摄的图片，从图中可以看出扇叶的形状，尽管风扇在高速旋转。