【Verilog】FPGA驱动Ov7670/Ov7725搭建视频通路（RGB565、灰度图）

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一、课题功能指标要求

（一）课程目的

• 加深对数字电路时序的理解；
• 掌握 OV 系列摄像头输出时序；
• 掌握 I2C 总线时序，以及使用 verilog 驱动三态门的方法；
• 掌握数字系统设计的方法；

（二）设计任务

o 设计并利用 FPGA 实现 OV7670(Ov7725)~VGA（320*240）显示器的视频通路；
o （基本要求）设计 I2C 总线接口以及控制器，实现对摄像头的配置；
o （基本要求）设计 OV7670(Ov7725) 输出转简单格式模块；
o （基本要求）利用 BRAM 搭建图像帧缓冲空间；
o （基本要求）设计 VGA 显示模块，显示摄像头输入的图像；
o （提高要求）使用双缓冲机制搭建视频通路；
o （提高要求）设计 RGB565 转灰度图模块，可利用拨码开关选择显示彩图或是灰度图；

（三）验收功能指标

1、输入时序的仿真波形；
2、图像在输入情况良好的情况下不撕裂，无歪斜或平移；
3、所有电路均采用同步电路的设计方法，除输入模块以外均采用同一个时钟驱动。

二、系统硬件描述

（一）系统硬件框图

其中，OV76760和显示屏为单独外设，FPGA主控模块和SRAM模块均为EGO1FPGA板板载资源。

（二）OV7670概述

• 阿汪先生的相关笔记：CMOS图像传感器-OV7670.

1、功能描述

OV7670/OV7171_CAMERACHIPTM 图像传感器，体积小、工作电压低，提供单片 VGA 摄像头和影像处理器的所有功能。通过 SCCB 总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率 8 位影响数据。该产品 VGA 图像最高达到 30 帧/秒。
用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过 SCCB 接口编程。OmmiVision 图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

2、性能参数

（1） 高灵敏度适合低照度应用
（2） 低电压适合嵌入式应用
（3） 标准的 SCCB 接口，兼容 I2C 接口
（4）RawRGB,RGB(GRB4:2:2,RGB565/555/444),YUV (4:2:2)和 YCbCr(4:2:2)输出格式
（5） 支持 VGA,CIF,和从 CIF 到 40×30 的各种尺寸
（6） VarioPixel 子采样方式
（7） 自动影响控制功能包括：自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡，自动消除灯 光条纹、自动黑电平校准、图像质量控制
（8） ISP 具有消除噪声和坏点补偿功能
（9） 支持闪光灯：LED 灯和氙灯
（10） 支持图像缩放
（11） 镜头失光补偿
（12）50/60Hz 自动检测
（13） 饱和度自动调节（UV 调整）
（14） 边缘增强自动调节
（15） 降噪自动调

3、功能模块

功能模块包括：感光阵列（共有 656×488 个像素，其中在 YUV 的模式中，有效像素为640×480 个） 、模拟信号处理 、A/D 转换 、测试图案发生器 、数字信号处理器 、图像缩放 、时序发生器 、数字视频端口、SCCB 接口 、LED 和闪光灯输出控。

4、功能框

OV7670内部功能框图：

5、时序框图

OV7670摄像头的接口为SCCB接口，其时序图如下。

一行图像数据获取时序图如下：

一帧图像数据获取时序图如下：

（1） SCCB简介

SCCB协议有两线也有三线，两线为SIO_C与SIO_D,三线为SIO_E、SIO_C 与SIO_D。2线的SCCB总线只能是一个主器件对一个从器件控制，但3线SCCB接口可以对多个从器件控制，因此当只有一个从机（slave device）时用两线，有多个从机时用三线。其中SIO_C只能由主机配置（FPGA）,SIO_D是一个三态门， 双向数据线，既可以由主机控制，也可以由从机控制。

（2） 数据传输

当写数据到从机被定义为写传输（write transmission），当从机中读数据被定义为读传输 (read transmission)，每一个传输都要有开始和结束来释放总线(start + sotp)
完整的数据传输包括两个或三个阶段，每一个阶段包含9位数据，其中高8位为所要传输 的数据，最低位根据器件所处情况有不同的取值。

规律如下：

• 每一个阶段组成：8位数据+don’t care/NA
  如果是主机发送数据，即进行写操作，第九位就为don’t care 如果是从机发送数据，即为读操作，第九位就为NA。

• 在进行主器件写操作时，全部阶段的最低位均是Don’t care bit 写操作:三个阶段构成传输的写，每个阶段都为9位
  ID地址（7位ID地址+1位读写控制+don’t care） + 要写的寄存器地址（8位寄存器地址+don’t care） +要写入的数据（8位数据+don’t care）

ID地址组成：

• 写操作有： start + ID地址（地址位42）+ 寄存器地址 + 数据 + stop
• 读操作：根据SCCB接口的读操作时序有两个阶段传输组成。2个阶段写传输 + 2个阶段读传输，每一相都是9位，具体如下：
  • ID地址（8位ID地址+1位读写控制+don’t care）+ FPGA要向从机写入即将要读的寄存器地址（8位寄存器地址+don’t care）
  • ID地址（8位ID地址+1位读写控制+don’t care） +从机向FPGA发送被指定寄存器里面的数据的数据（8位数据+NA）
• 读操作为：
  • start1+ ID地址（42）+ 寄存器地址 +stop1+start 2 +ID地址（43）+ 数据 + stop2

总结如下：
每一个阶段组成：8位数据+don’t care/NA
如果是主机发送数据，即进行写操作，第九位就为don’t care 如果是从机发送数据，即为读操作，第九位就为NA.
在进行主器件写操作时，全部阶段的最低位均是Don’t care bit

（三）VGA显示模块

VGA接口是一种D型接口，上面共有15针孔，分成三排，每排五个，其中比较重要的是 3根RGB彩色分量信号和2根扫描同步信号HSYNC和VSYNC针，其引脚编号图如下所示：

VGA 显示器扫描方式从屏幕左上角一点开始，从左向右逐点扫描，每扫描完一行，电子束回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这期间，CRT 对电子束进行消隐，每行结束时， 用行同步信号进行同步；

当扫描完所有的行，形成一帧，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同时进行场消隐，开始下一帧。

完成一行扫描的时间称为水平扫描时间，其倒数称为行频率；完成一帧（整屏）扫描的 时间称为垂直扫描时间，其倒数称为场频率，即屏幕的刷新频率。

行扫描：Hor Sync 、Hor Back Porch 、Hor Active Video和Hor Front Porch

Hor Scan Time是一个扫描周期，它会先扫描到Hor Sync、再扫描Hor Back Porch，然后才进入有效显示区Hor Active Video，最后是一段Hor Front Porch；

可以看出来，四段区间只有Hor Active Video这一段是能够正常显示图像信息的，也就是屏幕上显示的那一块区间。

列扫描：Ver Sync 、Ver Back Porch 、Ver Active Video和Ver Front Porch

Ver Scan Time是一个扫描周期，它会先扫描到Ver Sync、再扫描Ver Back Porch，然后才进入有效显示区Ver Active Video，最后是一段Ver Front Porch；可以看出来，四段区间只有Ver Active Video这一段是能够正常显示图像信息的，也就是屏幕上显示的那一块区间。

VGA常用的分辨率时序参数如下图所示：

VGA在显示屏上的显示范围如下图所示：

三、软件设计描述

（一）软件设计框图

（二）I2C驱动模块

• 阿汪先生的相关笔记：I2C协议.

1、 SCCB 接口

OV7670 摄像头接口为 SCCB 接口。SCCB 接口是特殊的 I2C 协议，SCCB 与 I2C 的具体差异如下：
（1） SCCB传输协议中，第9位为不必关心位，而IIC写传输协议为应答位。
（2） SCCB每次传输过程不超过3个阶段，即不能连续读写。
（3） SCCB读传输协议中没有重复开始的概念，在写完寄存器地址后，发起停止信号。

2、I2C协议概述

（1） 总线空闲状态：SDA为高电平，SCL为高电平
I2C协议起始位：SCL为高电平时，SDA出现下降沿，产生一个起始位 I2C协议结束位：SCL为高电平时，SDA出现上升沿，产生一个结束位SCL低电平时，SDA线上的数据变化（SCL:100k~400k，最大可达3.4M） SCL高电平时，SDA线上的数据被读取

（2） 应答位
每当数据接收方正确接收一个字节的指令或数据，都会产生一个应答位（ACK） 每当数据发送方发送完一个字节的数据或指令后，应该将SDA信号设置为三态输入 。
由于总线上拉电阻的存在，此时SDA信号线为高电平。数据接收方控制SDA信号线，如果正确接收数据，则将SDA信号线拉为低电平。

3、I2C器件地址

每一个I2C器件都有一个器件地址。
有的器件地址出厂即设置好了。有的设置好了几位（如常见的I2C接口的EEPROM存储器，留有3个控制地址的引脚，由用户自己在硬件设计时确定）。

主机向总线发送地址，所有从机接收并与自己地址识别，如果地址匹配，该从机想总线 发送响应信号，主机收到响应信号，开始向总线发送数据。若主机没有收到响应信号，则表 示寻址失败。

摄像头OV7670，其器件地址固定为0x42。

4、工作状态

在本次项目设计中，我们只需要用I2C协议对摄像头OV7670进行写操作，初始化
OV7670的寄存器参数以控制其输出格式。

（1） 写时序概述
（单个）写时序：主机—->发生控制字节—>从机应答—->主机传存储器地址—->传数据。
（单个）写时序：起始位—>控制字节（最低位为0）—>应答位—>一个字节的存储器地址—>应答位—一个字节的存储器地址（可选）—应答位（可选）—写入一个字节的数据应答位……停止位

（2） 写时序具体过程：
● 主机设置SDA为输出
● 主机产生起始信号
● 主机传输器件地址字节，其中最低位位0，表明为写操作
● 主机设置SDA为三态门输入，读取从机应答信号
● 读取应答信号成功，主机设置SDA为输出，传输1字节地址数据
● 主机设置SDA为三态门输入，读取从机应答信号
● 读取应答信号成功，对于2字节地址段器件，传输地址数据低字节；对于1字节地 址段器件，主机设置SDA为输出，传输待写入的数据。
● 设置SDA为三态门输入，读取从机应答信号，对于2字节地址段器件，执行下一步 骤；对于1字节地址段器件，直接跳转到最后一步。
● 读取应答信号成功，主机设置SDA为输出，传输待写入的数据
● 设置SDA为三态门输入，读取从机应答信号
● 读取应答信号成功，主机产生STOP位，终止传输。

5、vivado中的电路原理图

（三）I2C配置模块

1、模块概述

在系统开始工作之前，I2C驱动模块必须向摄像头OV7670发送初始化信号，对摄像头的 工作方式（寄存器）进行初始化。

本模块主要是在I2C驱动模块发送0V7670器件地址0x42后，将SDA信号线设置为三态输 入，因为的存在，此时SDA为高电平，摄像头响应地址后会将SDA信号线拉为低电平。
每一个支持I2C协议的器件，内部总会有一些可供读/写的寄存器。
OV7670的CMOS摄像头： 内部是一系列编址的可供读/写的寄存器。通过对这些寄存器写入数据来初始化摄像头的功能和工作方式。

2、主要代码摘录

//配置寄存器地址与数据
//这里配置的是Ov7725的寄存器，其它摄像头的配置根据相关数据手册即可
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n)
i2c_data <= 16'b0; else begin
case(init_reg_cnt)
//先对寄存器进行软件复位，使寄存器恢复初始值
//寄存器软件复位后，需要延时1ms才能配置其它寄存器
7'd0 : i2c_data <= {8'h12, 8'h80}; //COM7 BIT[7]:复位所有的寄存器
7'd1 : i2c_data <= {8'h3d, 8'h03}; //COM12 模拟过程直流补偿
7'd2 : i2c_data <= {8'h15, 8'h00}; //COM10 href/vsync/pclk/data信号控制7'd3 : i2c_data <= {8'h17, 8'h3f};//{8'h17, 8'h26}; //HSTART 水平起始位置
7'd4 : i2c_data <= {8'h18, 8'h50};//{8'h18, 8'ha0}; //HSIZE 水平尺寸
7'd5 : i2c_data <= {8'h19, 8'h03};//{8'h19, 8'h07}; //VSTRT 垂直起始位置
7'd6 : i2c_data <= {8'h1a, 8'h78};//{8'h1a, 8'hf0}; //VSIZE 垂直尺寸
7'd7 : i2c_data <= {8'h32, 8'h00}; //HREF 图像开始和尺寸控制，控制低位
7'd8 : i2c_data <= {8'h29, 8'h50};//{8'h29, 8'ha0}; //HOutSize 水平输出尺寸
7'd9 : i2c_data <= {8'h2a, 8'h00}; //EXHCH 虚拟像素MSB
7'd10 : i2c_data <= {8'h2b, 8'h9e};//{8'h2b, 8'h00}; //EXHCL 虚 拟 像 素 LSB 7'd11 : i2c_data <= {8'h2c, 8'h78};//{8'h2c, 8'hf0}; //VOutSize 垂直输出尺寸7'd12 : i2c_data <= {8'h0d, 8'h41}; //COM4 PLL倍频设置(multiplier)
7'd13 : i2c_data <= {8'h11, 8'h00}; //CLKRC 内部时钟配置
//Freq=multiplier/[(CLKRC[5:0]+1)*2]
7'd14 : i2c_data <= {8'h12, 8'h46};//{8'h12, 8'h06}; //COM7 输出QVGA(320*240)
7'd15 : i2c_data <= {8'h0c, 8'h90};//{8'h0c, 8'h10}; //COM3 Bit[0]: 0:图像数据 1:
 

这里列举出一部分初始化寄存器的代码，OV7670的内部寄存器总共有201个，实际使用过程中，我们可以根据需要对相关寄存器进行初始化。

3、 vivado中的电路原理图

4、程序流程图

（四）CMOS图像数据采集模块

CMOS图像数据采集模块，需等待I2C协议对摄像头内部寄存器进行初始化。寄存器全部配置完成后，还需等待10帧数据，此等待10帧数据的目的是等待摄像头工作状态稳定。
待寄存器配置生效、摄像头工作状态稳定后再开始采集图像。
具体地，待等待帧数等于10时，会使能标志信号frame_val_flag，使得OV77670开始对采集的图像数据中相应范围0~76800（340×240）的8位像素点数据经拼接操作，转存到寄存器data2ram中，data2ram将输出拼接后的16位数据到SRAM模块的输入引脚dina。
不同的摄像头的初始化，主要是根据性能参数、工作需要以及手册，初始化不同的寄存器参数。
代码摘录：

//将cmos_frame_valid转为ram地址
always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin	//复位
addr<=0; data2ram<=0;
end
else if (addr>=76800) begin	//320*240=76800 addr<=0;	//像素地址回到初始位置
end
else if (cmos_frame_valid) begin addr<=addr+1;
data2ram<=cmos_frame_data;//使其和使能一样延迟一个时钟
end
end

//8位数据转16位RGB565数据
always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin	//复位
cmos_data_t <= 16'd0; cam_data_d0 <= 8'd0; byte_flag <= 1'b0;
end
else if(cam_href) begin
byte_flag <= ~byte_flag;	//翻转标志位cam_data_d0 <= cam_data;
end
 
if(byte_flag)
cmos_data_t <= {cam_data_d0,cam_data};	//8位拼接16位
 
else begin
byte_flag <= 1'b0; cam_data_d0 <= 8'b0;
end
end

摄像头像素点数据输出:

2、Vivado中的电路原理图

（五）SRAM存储模块

1、概述

这部分模块主要通过调用ROM IP Core实现。点击IP Catalog，在搜索框中搜索block。选择Single Port ROM，图片位宽为16bit，深度为340×240=76800，表示有76800个16bit的RGB565像素。

图3.5.1. 调用配置IP核

RAM.ROM读取有延时，要在扫描第一个点的前两个时钟周期读取RAM/ROM，我在这里用的 是双口RAM，在Vivado这里显示的是有两个时钟的周期的延时，也就是当你给读命令时，RAM会把读出来的数据缓存两级才会输出给你想给数据的地方。

2、模块单独仿真时的时序图如下。

图3.5.2. SRAM传输数据时序图

3、Vivado中的电路原理图

（六）VGA驱动模块

VGA扫描显示其实就是两条线，一个行扫描，一个场扫描，在行有效和场有效的时候把 数据发送给VGA显示。
显示屏扫描方式分为逐行扫描和隔行扫描：逐行扫描是扫描从屏幕左上角一点开始，从左像右逐点扫描，每扫描完一行，电子书回到屏幕的左边下一行的起始位置，在这器件，CRT 对电子束进行消隐，每行结束时，用场同步信号进行场同步，并使扫描回到屏幕左上方，同 时进行场消隐，开始下一帧。VGA时序过程前面已有介绍，隔行扫描方式在此也不赘述了。

1、主要代码摘录

//RGB565数据输出
assign vga_rgb = vga_en ? pixel_data : 16'd0; 
assign vga_gray = vga_en ? Y : 16'd0;

//扩展8位
always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin 
if (!sys_rst_n) begin
r1<=0; g1<=0; b1<=0;
end
else begin 
r1<={pixel_data[15:11],pixel_data[15:13]};
g1<={pixel_data[10:5],pixel_data[10:9]};
b1<={pixel_data[4:0],pixel_data[4:2]};
end
end

 

//生成灰度图
always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n)begin 
 if (!sys_rst_n) begin
	R_mult<=0; G_mult<=0; B_mult<=0;
end
else begin
R_mult <= r1 * 76; 
G_mult <= g1 * 150; 
B_mult <= b1 * 30;
end
end

always @(posedge vga_clk or negedge sys_rst_n) begin if (!sys_rst_n) 
   begin
	Y<=0;
end
	else begin 
	Y<=(R_mult+G_mult+B_mult)>>8; 
	end
end

//选择输出格式
//vga_en为像素有效标志
//switch为拨码开关，选择RGB/灰度图显示
assign vga_rgb0=(vga_en==1)?{vga_rgb[15:12],vga_rgb[10:7],vga_rgb[4:1]}:12'hfff; 
assign vga_rgb1=(vga_en==1)?{vga_gray[7:4],vga_gray[7:4],vga_gray[7:4]}:12'hfff; 
assign vga_rgb_444 = vga_en0 ? (swtich ? vga_rgb0:vga_rgb1 ) :12'h000;

2、Vivado中的电路原理图

四、测试与总结

（一）测试结果分析

灰度图显示:

彩色图显示:

1、基本完成所有的设计要求：

（1） 设计I2C总线接口以及控制器，实现对摄像头的配置；
（2） 设计OV7670输出转简单格式模块；
（3） 利用BRAM搭建图像帧缓冲空间；
（4） 设计VGA显示模块，显示摄像头输入的图像；
（5） 使用双缓冲机制搭建视频通路；
（6） 设计RGB565转灰度图模块，可利用拨码开关选择显示彩图或是灰度图；

2、还存在的问题

在RGB彩色输出切换至灰度图输出时，由于有2个像素时钟的延时，在VGA显示屏上显示的灰度图区域会较彩色图向右平移2个像素点。
这是由于灰度图转换成彩色图需要经过2个像素时钟的计算过程，这2个像素时钟的延时 导致了显示区域的右移。

3、解决方案试想

（1） 彩色图显示的时钟也延时2个像素延时
（2） 给灰度图显示单独分配一个时钟时间有限上述试想未付诸实践。

（二）最终实现效果。

阿汪先生的演示视频.

（三）附录一张失败画面。

//有一张蛮有意思的图片（多层画面重叠、画中画？？）没保存下来。。。