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，F(xiàn)PGA 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

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。