基于FPGA的圖像采集無線傳輸系統的設計與實現

張玉江，李月強，祁鳳

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京　100192）

基于FPGA的圖像采集無線傳輸系統的設計與實現

張玉江，李月強，祁鳳

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京100192）

0　引言

隨著圖像的采集處理在軍事、醫療、工業、農業、安保監控領域的廣泛應用，許多圖像采集處理芯片也相繼推出，這些芯片處理功能也越來越強大，當然使用起來也越來越方便。數據量大、耗時多是圖像采集處理系統的特點，為了更好地解決這些問題，提高圖像采集及處理傳輸的速度，本系統核心控制芯片采用功能強大的FPGA芯片EP4CE6E22C8，采用這款FPGA主要有以下幾個優點，第一，支持與時鐘頻率相同的采樣頻率；第二，支持可重構技術；第三，系統外圍電路簡單，體積減小，使用方便。本系統一大優點是采用了無線傳輸模塊，這使得在一些有線無法傳輸的情況下，本系統也可以實現圖像的實時采集與傳輸，大大增強了本系統的實用性以及應用廣泛性。本系統主要是通過MT9M9001 CMOS圖像傳感器采集圖像通過FPGA控制，經USB2.0傳輸或無線傳輸把圖像傳輸到PC進行圖像進一步處理。

1　系統總體設計

本系統采用Micron公司的MT9M001作為本系統的圖像傳感器，采用I2C總線作為核心控制芯片FPGA與CMOS圖像傳感器MT9M001的通信總線。采用美國ATERA公司的FPGA芯片EP4CE6E22C8作為整個系統的核心控制芯片，FPGA主要負責圖像采集模塊、圖像處理模塊和數據緩存模塊、圖像傳輸模塊的控制。工作的整個流程首先FPGA通過I2C總線實現對圖像傳感器MT9M001的初始化配置，通過對其內部寄存器的參數配置設置圖像的輸出方式和圖像格式，然后通過FPGA設計的時序驅動來控制MT9M001圖像傳感器的圖像采集，圖像采集到FPGA后通過線性插值圖像處理方法進行圖像處理，未處理的暫存到SDRAM內，實現幀緩存，最后通過USB2.0或nFR24L01無線傳輸模塊傳輸圖像至PC進行后續圖像處理。本系統整體框圖如圖1所示。

圖1　圖像采集系統整體框圖設計

2　硬件選型及設計

2.1圖像傳感器的選擇及硬件電路設計

由于監控、安保。醫療使用環境都比較嚴苛，CMOS相比于CCD更容易適應嚴苛的環境，CMOS在集成方面的優勢已經展現的非常明顯，近幾年CMOS工藝也在不斷改進，在可靠性方面由于CMOS集成度高，所需的電路、器件一般都會集中在一塊芯片上，與外界的焊點少，不容易出現問題，在靈敏度方面CCD的有效成像面積要大于CMOS，所以在靈敏度上一般也會大于CMOS，近幾年，新一代CMOS在每個像元中都采用高增益互補放大電路，填充因子已大大提高，靈敏度已不亞于CCD，在功耗方面CMOS集成度高，體積也更小，在同樣電路實現同樣功能下，CMOS的功耗一般會更低，響應速度方面CCD采用穿行掃描工作方式，需要逐個讀取電荷信息，這種工作方式響應速度相對比較慢。然而，CMOS采用單點信號傳輸，可以一次讀出整幀的圖像信息，所以響應速度就會比較快，CMOS的成本也顯然更低，所以本系統采用CMOS圖像傳感器MT9M001作為本系統的圖像傳感器。

MT9M001芯片采用CLCC封裝，共有48個引腳，主要包括：串行接口、數字邏輯控制、模擬I/O口、數字圖像接口、系統時鐘和電源線，它的像素值為130萬，分辨率為1280H×1024V，最高每秒30幀，正常采圖能達到25幀每秒，最大數據傳輸速率為48MPS，內置A/ D轉換器分辨率為10位，工作功耗325mw，支持CIF、QVGA、QCIF、VGR等不同的輸出格式，通過串行總線還可以調節幀頻增益等參數。該芯片工作電壓為3.0V-3.6V，一般情況下供電電壓為3.3V。

圖2　圖像傳感器電路圖設計

2.2電源模塊設計

由于FPGA的電源需求通常很復雜，分別要為內核供電、I/O口供電以及輔助電壓三路電源，根據設計要求分別為1.2V、2.5V、3.3V，另外SDRAM模塊、USB模塊、圖像傳感器模塊供電電壓都為3.3V，所以根據查閱資料，電源模塊采用的是AS1117。AS1117是一款低壓差的線性穩壓器，當輸入電流為1A時，輸入輸出的電壓差典型值為1.2V，輸出電壓可調，可調電壓范圍為1.2V～13.8V，另外AS1117提供完善的過流保護和過熱保護功能（正常工作環境溫度為-50度-140度），確保芯片和電源系統的穩定性，輸出電壓與參考電壓誤差在1%范圍內，完全滿足本系統使用。

圖3　系統電源模塊設計

2.3SDRAM模塊設計

本系統SDRAM采用容量為256Mb的MT48LC 16M16芯片，它是一種高速CMOS、動態隨機存儲器芯片，內部使用管線式架構，允許列地址被改變在每一個時鐘周期內實現高速、完全隨機存儲。該芯片工作電壓為3.3V，工作頻率為100MHz，16位數據線，采用54腳的TSOP封裝。

根據技術手冊設計電路圖如圖4所示：

圖4　SDRAM原理圖設計

在電源與地的連接處加上高頻去耦電容，濾除電源中的高頻雜波以免產生自激，穩定電路工作狀態。

SDRAM是通過FPGA中的SDRAM控制器通過一個同步接口和若干個控制命令實現對其的控制，具體流程如下：

（1）正常情況下開始時必須要對SDRAM進行初始化，初始化其實就是系統的自檢過程，這個過程持續的時間非常短，大約100至200微秒的時間，初始化過程完成之后，還必須要進行一次空操作命令，再進行一次預充電命令，最后在進行一次空操作指令來喚醒所有存儲單元使其進入待機狀態；前面都完成之后還要進行兩次自刷新操作目的是使計數器進入工作狀態，為MODE REGISTER初始化編程做好鋪墊。

（2）其次是讀寫操作，讀操作只有突發模式，寫操作有突發跟全頁寫兩種模式，讀寫操作在數據總線與地址總線在一系列控制命令下完成，其中突發模式帶有預充電，突發長度有1/2/4/8四種，由MODE REGISTER控制，全頁寫模式不帶預充電功能，可以任意控制一次能訪問的列地址最大數。

（3）乒乓操作乒乓操作實際上是通過交錯式控制實現各BANK之間的無空隙讀寫，其有三個優點：1.適用于流線性操作，能夠實現數據無縫處理與緩存；2.有效節約緩存的空間；3.可以實現利用低速模塊控制高速模塊。

SDRAM工作狀態圖如圖5所示：

圖5　SDRAM狀態轉換圖

2.4USB模塊設計

為了實現FPGA與上位機高速通訊，采用的是CYPRRESS公司的CY7C68013芯片，該芯片將USB2.0收發器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051微控制器以及可編程外設接口集成到一個芯片中，具有16位地址總線，8位數據總線，24個I/O口，兩個USART，三個計數器，兩個數據指針，SCL和SDA引腳具有開漏輸出和滯后輸入的功能，必須外接2KΩ的上拉電阻上拉至3.3V，即使沒有EEPROM也是如此，另外，它的供電電壓一般為3.3V，最大不能超過5V，VCC與USB模擬電壓之間要加一個電感，目的是抑制高頻干擾對模擬電源的影響，同樣，在VCC與地、USB模擬電源與地之間要加濾波電容，目的是濾除電源中的高頻雜波以免產生自激，穩定電路工作狀態。芯片封裝采用56引腳QFN封裝。USB通訊模塊設計如圖6所示。

圖6　USB通訊模塊設計

2.5無線模塊設計

無線模塊采用的是Nordic公司的nRF24l01射頻收發芯片，這種無線模塊傳輸方式技術比較成熟，在嚴苛的環境下通訊很穩定，傳輸速率也滿足設計要求，所以選擇nRF24l01射頻收發芯片作為本系統的無線傳輸與模塊，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊。配置外置天線與功放芯片，傳輸距離會相應變長，但是傳輸距離變長就會相應的降低傳輸速率。

芯片電路如圖7所示。

圖7　無線傳輸模塊設計

在此設計中CE端口為該芯片的片選端，CE端的作用主要用來選擇芯片的工作方式，CSN為SPI的使能端，MOSI為SPI的數據輸入端，MISO為SPI的數據輸出端，SCK為SPI的時鐘輸入端，IRQ為中斷請求端。FPGA一般是通過兩個IO口與一個SPI口對nRF24L01芯片進行配置，當CSN為低電平時，在每個SCK的下降沿SPI上MOSI管腳的指令或數據串行移入到nRF24L01的MOSI管腳，在每個SCK的上升沿nRF24L01鎖定指令或數據。寫入指令時，一般是高位在前，低位在后，向nRF24L01寫入指令的同時，其STATUS寄存器的值會從MISO腳移出。nRF24L01上SPI的最高速率可達8Mbps。

3　圖像的采集及處理

圖8為系統圖像采集傳輸流程圖：

圖8　圖像采集傳輸流程圖

當系統進行圖像采集的時候首先要對圖像傳感器進行初始化，FPGA與圖像傳感器之間是通過I2C總線相連的，所以對圖像傳感器得初始化操作也是通過I2C總線控制的，FPGA通過I2C總線對圖像傳感器一些參數進行設置完成初始化操作。圖像采集主要是采集圖像的有效像素，利用圖像傳感器的行有效像素以及列有效像素可以確保有效像素地準確輸出；FPGA圖像處理部分采用雙線性插值算法，雙線性插值算法占用硬件資源少，相對比較簡單，對于數據實時處理非常方便；最后通過USB2.0傳輸接口或者通過無線模塊把數據傳到上位機。使用USB或無線傳輸方式是FPGA選擇驅動不同的傳輸方式來實現的。

依據原理圖制成PCB板進行采圖測試，測試效果如下：

圖9　測試效果圖

4　結語

本系統實現了圖像的采集與實時傳輸，采用CMOS圖像傳感器較之CCD圖像傳感器更能在嚴苛的環境中使用同時也加強了系統工作的穩定性，這使它在安保監控、醫療衛生、交通、工業生產領域作用越來越突出，使用大容量256MB的SDRAM可以更好地實現幀緩存，更好地實現FPGA的實時處理，采用USB2.0傳輸目的是在有線傳輸的情況下可以實現更快的傳輸速度，體現出高速傳輸的特點，采用無線模塊目的是能在嚴苛的環境有線無法傳輸的情況下進行圖像實時傳輸，經過測試無線傳輸完全滿足實時傳輸的要求，采用FPGA使設計結構相對簡單，在硬件上大大減少了設計的復雜度，減小了硬件調試難度，同時提高了系統的穩定性，總體來說，本系統設計簡單實用，進一步進行工業化設計，有望得到市場應用。

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FPGA；CMOS；USB；IMAGA；Acquistion；Wireless Transmission

Design and Implement of Image Acquisition Wireless Transmission System Based on FPGA

ZHANG Yu-jiang，LI Yue-qiang，QI Feng

1007-1423（2016）22-0053-06DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.22.012

張玉江（1991-），男，山東濟南人，碩士研究生，學生，研究方向為光電檢測技術

李月強（1968-），男，黑龍江人，碩士研究生，副教授，研究方向為光電檢測技術

祁鳳（1991-），女，山東濟南人，碩士研究生，學生，研究方向為ARM嵌入式

2016-05-10

2016-07-26

設計一種基于FPGA的圖像采集傳輸系統，能夠實現圖像的實時采集與傳輸。該系統圖像傳感器采用Micron公司的CMOS圖像傳感器MT9M001，核心控制器件為ALTERA公司Cyclone4系列的FPGA芯片EP4CE6E22C8，有線傳輸方式選擇USB2.0接口作為數據傳輸的接口，實現了把每秒25幀、分辨率1280×1024的圖像采集到PC內，同時基于嚴苛環境無法有線傳輸的情況下設計基于nFR24l01無線收發芯片的無線傳輸方式，傳輸速率能達到8Mbps，采用一片容量為256MB的SDRAM MT48LC64M4A2實現圖像的幀緩存，FPGA作為核心器件可以同時控制圖像采集，又可以在SDRAM中讀取圖像進行處理通過USB2.0接口或無線傳輸到PC實現整個圖像采集過程。

FPGA；CMOS；USB；圖像采集；無線傳輸

Designs a kind of image acquisition system based on FPGA and realizes the image acquisition and transmission.This system adopts the CMOS image sensor MT9M001 by Micron company as a system of image sensor，This system adopts the Cyclone4 series EP4CE6E22C8 FPGA chip by ALTERA company as the core of the whole system control devices，and choose USB interface as the data transmission interface，realized the 25 frames per second，1280×1024 resolution of image acquisition in the PC，at the same time，based on the rigorous environment under the condition of cable transmission，designs the wireless transmission mode based on wireless transceiver chip nFR24l01，transmission rate can reach 8 Mbps，with a capacity of 256 MB SDRAM MT48LC64M4A2，realizes the image frame buffer，as the core device FPGA can control the image acquisition meanwhile read and image processing in the SDRAM and via USB to a PC to realize the image acquisition process.