基于I2C總線圖像傳感器配置的FPGA實現(xiàn)

　　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(shù)據(jù)流并對它實時處理得到所需的特征信息。圖像數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)設計要求的不同配置圖像傳感器內部寄存器數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸，一根為串行數(shù)據(jù)(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(shù)據(jù)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，FPGA先寫入設備(即MT9P031)的地址0xBA，然后釋放SDATA數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，由于每次只能發(fā)送8位數(shù)據(jù)，所以這16位的寄存器數(shù)據(jù)要分兩次才能發(fā)送完畢，先發(fā)送的是高八位數(shù)據(jù)，后發(fā)送的為低八位數(shù)據(jù)，每發(fā)送完一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。重復上述過程可以對不同的寄存器進行不同的參數(shù)配置。

　　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。

　　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(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，查找表內數(shù)據(jù)的位數(shù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)傳輸完成后，模塊還將判斷寄存器配置數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。

　　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。

　　圖3讀取寄存器0x00的波形仿真

　　圖4向寄存器0x01寫入數(shù)據(jù)0x01EA的波形仿真