（电路与系统专业论文）基于USB接口的CMOS图像传感器评估板的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 本文介绍c m o s 图像传感器芯片测试用评估板的设计，该评估板是针对天津 大学a s i c 设计中心研制的c m o s 图像传感器芯片而设计的。随着c m o s 图像 传感器像素数的增多，实现对像素数据的快速传输越来越困难。并行接口传输方 式不适合完成图像数据采集和成像的任务。用u s b 接口实现数据采集与成像是 一个较好的途径。本课题的任务就是研制基于u s b 接口的c m o s 图像传感器的 评估板。 目前，做u s b 接口固件的通用方法是用5 1 系列或者5 l 内核的单片机，用 c 语言来完成，这种方法做出来的u s b 接口的传输速度受到了限制。本设计是 以f p g a 组成u s b 接口的方式，用v c d l o g 硬件描述语言编写f p g a 的下载程序。 这样做不仅提高了整个系统的传输速度，而且为以后将u s b 接口部分和c m o s 图像传感器集成到一个芯片提供条件。 本文还介绍了在应用程序中用r e a d f i l e 方式读取数据时，u s b 驱动程序对 应传输大量数据的方法，这是目前所见资料中少有介绍的。 论文的第一章简要介绍整个数据采集与成像评估板的结构；第二章介绍硬件 电路的设计方案；第三章介绍u s b 驱动程序；第四章介绍应用程序；第五章介 绍开发环境的选择。 关键词：c m o s 图像传感器，u s b 总线，v e r i l o g 硬件描述语言， 驱动程序 f p g a ，v i s u a lo d - y a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no fe v a l u a t i o nb o a r df o rt e s t i n g c m o ss e n s o r , t h i sb o a r di sa r m e dt ot h es e t o rw h i c hi sd e s i g n e db y t i a n j i nu n i v e r s i t ya s i cd e s i g nc e n t e r w i t hi n c r e a s i n go f t h en u m b e r o f t h ep i x e l so fc m o ss e n s o r t h er e a l i z i n go fr a p i dt r a n s m i ti sm o r ea n d m o r ed i f f i c u l t y p a r a l l e li n t e r f a c ec o i l tf i n i s ht h et a s ko fc o l l e c t i n gp i x e l s a n di m a g i n g i ti sag o o dw a yt oc o l l e c tp i x e l sa n di m a g eb yu s b t a s ko ft h i sp a p e ri st or e s e a r c ht h ee v a l u a t i o nb o a r db a s e do nu s bf o r c m o ss e n s o r a tp r e s e n t t h ef i r m w a r ef o ru s bi sf i n i s h e db y51o r51c o r em e n w i t hcu s u a l l y , i t ss p e e di sf i n i t e t h ef i r m w a r eo fu s bi sp r o g r a m m e d b yv e f i l o gh d l a n dr e a l i z eb yf p g ai nt h i sp a p e r t h u s ，t h es p e e do f t r a n s m i t t i n gp i x e l sw i l lb ei m p r o v e d ，t h i sw a ya l s oc a l lr e p a i rf o rm e r g e t h ef i r m w a r ew i t hc m o ss e n s o r w h e nr e a d f i l ei su s e db ya p p l i c a t i o np r o g r a m ，t h em e a n st of i n i s h l a r g ed a t at r a n s m i ti nd r i v e rp r o g r a mi se x p l a i n e d 赢t h i sp a p e r 确i si s d i 伍c u l tt of i n df r o mo t h e rb o o k s n l ef i r s t c h a p t e ro ft h i sp a p e ri n t r o d u c e sb a s i c a l l yt h ew h o l e c o m p o s i t i o no f t h ee v a l u a t i o nb o a r d t h es c h e m eo f h a r d w a r ei se x p l a i n e d i nt h es e c o n dc h a p t e r t h em i r dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed r i v e rp r o g r a mo f u s b t h ea p p l i c a t i o np r o g r a mo ft h eb o a r di sd e s c r i b e di nt h ef o r t h c h a p t e r t h es e l e c to ft h ed e v e l o p m e n ts o f t w a r ei si n t r o d u c e di nt h ef i n a l c h a p t e r k e yw o r d s ：c m o ss e n s o r ， u s b ，v e r i l o gh d l ，d r i v e rp r o g r a m ， f p g a v i s u a lc + + 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行钓研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：狠聋乞签字臼期：h 印5 年文月d 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 孤李毛 签字日期：妇b 年c 王月j 口日 翩躲雅潴 签字日期：7 一占年纱月形日 第一章概述 1 1c m o s 图像传感器简介 第一章概述 c m o s 器于8 0 年代出现以来，由于当时c m o s 器件受当时工艺水平的限制， 传感器在应用中的杂讯较大，商品化进程一直较侵。时至今日，c m o s 传感器的 应用范围已经非常广泛，如数码相机、p cc a m e r a 、影像电话、第三代手机、视 讯会议、智能型保全系统、汽车倒车雷达、玩具，以及工业、医疗等。在低档产 品方面，其画质质量已接近低档c c d 的解析度，相关业者希望用c m o s 器件取 代c c d 的努力正在逐渐明朗。c m o s 传感器分为被动式像素传感器c m o s ( p a s s i v ep i x e ls e n s o rc m o s ) 与主动式像素传感器c m o s ( a c t i v ep i x e ls e n s o r c m o s ) 两类。 与c c d 相比，c m o s 具有体积小，耗电量不到c c d 的1 1 0 ，售价也比c c d 便宜1 3 的优点。 与c c d 产品相比，c m o s 是标准工艺制成，可利用现有的半导体设备，不 需额外的设备投资，且品质可随着半导体技术的提升而进步。同时，全球晶圆厂 的c m o s 生产线较多，也有利于成本的降低。另外，c m o s 传感器的最大优势， 是它具有高度系统整合的条件。理论上，所有图像传感器所需的功能，例如垂直 位移、水平位移暂存器、时序控制、c d s 、a d c 等，都可集成在一颗晶片上， 甚至于所有的晶片包括后端晶片( b a c k - e n dc h i p ) 、快闪记忆体( f l a s hr a m ) 等也可整合成单晶片( s y s t e m o n c h i p ) ，以达到降低整机生产成本的目的。 天津大学a s i c 设计中心目前研发的是6 4 x 6 4 像素黑白c m o s 图像传感器， 传输速度是3 0 0 帧秒。该传感器的积分时间是可以改变的，所谓积分时问，简 单地说就是传输两帧完整图像之间的间隔时间。 1 2 评估板概述 传统的数据采集系统做成板卡的形式，通过串口、i s a 或者p c i 接口连接到 p c 机上，这种方法安装麻烦，同时占用计算机资源，如中断、i o 地址、d m a 通道等。u s b 接口简单、使用方便，同时支持热插拔、传输速度高，目前u s b l 1 在全速模式下可达到1 2 m b i t s ，而u s b 2 0 可达到4 8 0 m b i t s ，基于u s b 接口的 第章概述 器件臼益受到人们的青睐。 本文介绍一种基于u s b i 1 的c m o s 图像传感器的评估板，f p g a 采集来的 数据通过u s b 接口芯片、u s b 电缆传到p c 机上，再由p c 机上的应用程序将图 像显示出来。硬件部分的框图如图1 1 所示： l m o s ) d m 、 m , c t _ a m m f p “ c 雹任葛鼍葛片 t t s t t m 1 t e 鼬 q - t f 7 ：川 d 1 2 们 、 e o n t r o l “, t t l 7 棚 v 日t l l i c ， h 呻k 曲m 删7 棚 l i1 个 图1 - - 1 评估板硬件框图 整个评估过程由三部分程序组成，第一部分：p c 机端的应用程序，这是人 机交互的接口。通过这部分程序，使用者可以控制整个系统。第二部分：u s b 接口的驱动程序，这部分程序打开了应用程序和外围设备进行通信的管道。第三 部分：用v e r i l o gh d l 语言编写的f p g a 的程序，这部分程序包括两个方面，一 方面是与c m o s 图像传感器进行通信的程序，另一部分是与u s b 接口芯片通信 的程序，这部分程序被称为d 1 2 的固件程序。固件程序传统的实现方法是用5 1 单片机用c 语言来完成，但是我们这里是用f p g a 来实现的，这种方法和传统 方法比较起来有两个优势：第一，可以克服整个系统的传输速度受限这个瓶颈， 因为f p g a 比5 l 单片机速度快得多。第二，将来可以把这部分程序和c m o s 图 像传感器芯片里做成一个芯片，这样可以大大降低成本。 整个系统要完成两个任务：第一，要把控制字( 积分时间) 从p c 机端经过u s b 接口，经过f p g a ，传到c m o s 图像传感器里。第二把c m o s 图像传感器采 集来的图像数据经过f p g a 、u s b 接口传到p c 机端，并且在p c 机上显示出来。 将在后面的章节中详细介绍各个部分的程序。 第二章硬件电路设计 2 1u s b 简介 第二章硬件电路设计 多年来个人计算机串口与并口的功能和结构并没有什么变化。串口的出现是 在1 9 8 0 年以后，数据传输率是1 1 5 k b p s 2 3 0 k b p s ，串口一般用来连接鼠标和外 置m o d e m ：并口的数据传输速率比串口快8 倍，标准并口的数据传输率为1 m b p s ， 一般用来连接打印机、扫描仪等。原则上每一个外设必须插在一个接口上，如果 所有的接口均被用上了就只能通过添加插卡来追加接口了。串、并口不仅速度有 限，而且在使用上很不方便。 1 9 9 4 年，i n t e l 、c o m p a q 、d i g i m l 、i b m 、m i c r o s o f t 、n e c 、n o r t h e r nt e l e c o m 等七家世界著名的计算机和通讯公司成立了u s b 论坛，花了近两年的时间形成 了统一的意见，于1 9 9 5 年1 1 月正式制定了u s b 0 9 通用串行总线( u n i v e r s a l s e r i a l b u s ) 规范，1 9 9 7 年开始有真正符合u s b 技术标准的外设出现。u s b l 1 是目前 支持u s b 的计算机与外设上普遍采用的标准。1 9 9 9 年初在i n t e l 的开发者论坛大 会上，与会者介绍了u s b 2 0 规范，该规范的支持者除了原有的c o m p a q 、i m e l 、 m i c r o s o f t 和n e c 四个成员外，还有惠普、朗讯和飞利涌三个新成员。u s b 2 0 向下兼容u s b l 1 ，数据的传输率将达到1 2 0 m b p s 2 4 0 m b p s ，还支持宽带数字 摄像设备及下一代扫描仪、打印机及存储设备。2 0 0 0 年正式发表了2 0 版本的协 议。 目前普遍采用的u s b i 1 主要应用在中低速外部设备上，它提供的传输速度 有低速1 5 m b p s 和全速1 2 m b p s 两种，低速的u s b 带宽( 1 ，5 m b p s ) 支持低速设 备，如显示器、调制解调器、键盘、鼠标、扫描仪、打印机、光驱、磁带机、软 驱等。全速的u s b 带宽( 1 2 m b p s ) 将支持大范围的多媒体设备。 在u s b 的拓扑结构中居于核心地位的是主机( h o s t ) ，任何一次u s b 的数据 传输都必须由主机来发起和控制。为了将u s b 应用到嵌入式领域。实现u s b 点 到点的通信，又推出了u s bo t g 。u s bo t g ( o n t h e g o ) ，是u s b 应用在便携 式移动设备领域中。作为u s b 2 0 的补充协议，u s bo t g 基本上符合2 0 的协议。 但是所不同的是符合u s bo 下g 的设备完全抛开了p c ，既可以作为主机，也可 以作为外设，丽与另一个o t g 设备实现点对点( p e a rt op e a r ) 通讯。因此这类 o t g 设备也被称为双角色设备( d u a l r o l ed e v i c e ，简称为d r d ) ，并能够根 第二章硬件电路设计 据接入设备和数据传输过程中，自动切换为主机或是设备。为了保持兼容性， u s bo t g 设备保留了作为普通u s b 2 0 设备的功能，可以作为外设直接连接到 p c 的u s b 主机上。 无线u s b 是由“无线u s b 促进联盟”开发的，根据无线u s b 标准规范，其3 米内的传输速度可达到4 8 0 mb p s 。目前，该联盟的主要成员有a g c r es y s t e m s 、 惠普、英特尔、微软、n e c 电子、飞利浦半导体和三星。 另外，a l c r c o n 、a p p a i r e n tt e c h n o l o g i e s 、s m c r 碰o c o m m u n i c a t i o n s 、 s t m i c r o e l e c t r o n i c sn v 、t i 和w i s a i r 等公司也表示支持该标准。 据悉，无线u s b 芯片有望于2 0 0 5 年年中投入使用，第一款芯片将于年底问 世。而无线u s b 促进联盟也计划于今年1 1 月1 日建设一个无线u s b 网页，对 该标准进行详细介绍。另据英特尔介绍，无线u s b 标准l ，0 版将于今年年底推 出。 纵观u s b 技术的整个发展过程，从诞生一成为绝大多数p c 外设的标准接 口一提高速度和应用遍及几乎所有的p c 外设领域一出现嵌入式u s b 主机技术 和产品一发布u s bo t g 标准，u s b 正在不断地发展和自我完善。 2 1 1u s b 接口芯片的选择 目前，市场上供应的u s b 控制器主要有两种：带u s b 接口的单片机( m c u ) 或纯粹的u s b 接口芯片。带u s b 接口的单片机从应用上又可以分成两种，一类 是从底层设计专用于u s b 控制的单片机，比如c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 3 5 1 3 ( 低 速) 、c y 7 c 6 4 0 1 3 ( 全速) ，但由于价格，开发工具以及单片机性能有限等问题， 所以一般不推荐使用。另一类是增加了u s b 接口的普通单片机，例如i a t e l 公司 的8 x 9 3 l ( 基于8 0 5 1 ) 、8 x 9 3 0 ( 基于高速、增强的8 0 5 1 ) 、c y p r e s s 公司的e z - - u s b ( 基于8 0 5 1 ) ，选择这类u s b 对于简单或低成本系统，价格高将会是最大的障 碍。一般来说，后者的价格是前者价格的l o 倍。 纯粹的u s b 接口芯片按传输速度的高低可分为：低速( 1 5 m b p s ) 和全速 ( 1 2 m b p s ) 。低速( 1 5 m b p s ) 可选择u s b i 1 接口芯片，例如p h i i i p s 公司的 p d i u s b d l 2 和c y p r e s s 公司的e z u s b 2 1 0 0 系列；高速( 4 8 0 m b p s ) 可选择 u s b 2 0 接口芯片，例如p h i l i p s 公司的i s p l 5 8 1 和c y p r e s s 公司的c y 7 c 6 8 0 1 3 。 此类接口芯片仅处理u s b 通信，必须有一个外部微处理器来进行协议处理和数 据。芯片的主要特点是价格便宜、接口方便、可靠性高。尤其适合于产品的改型 设计( 硬件上仅需对并行总线和中断进行改动，软件则需要增加微处理器的u s b 中断处理器和数据交换程序、p c 机的u s b 接口通信程序，无需对原有产品系统 结构作很大的改动) 。 第二章硬件电路设计 还有专门用途u s b 芯片，例如闪存专用芯片i c l l l 4 ，主要用来开发u 盘的 控制芯片。 工程中用户可根据自己的需求选择一款性价比高的芯片。另外可用开发资源 也是要考虑的重要方面。 考虑到实现课题任务低成本的要求，还有开发过程中，芯片技术比较成熟， 应用范围较广。选用p h i l i p s 公司的p d i u s b d l 2 ，d 1 2 芯片信息，开发资源丰富， 具有很高的性价比。 2 1 2p d i u s b d l 2 芯片简介 p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件。它通常用作为控制系统中实现 与微控制器进行通信的高速通用并行接口，并且还支持本地的d m a 传输。 p d i u s b d l 2 接口芯片遵从协议u s b i 1 ，适会于不同用途的传输类型。 p d i u s b d l 2 需要外接微控制器( m c u ) 来进行协议处理和数据交换，它对m c u 没有特殊要求，而且接口方便灵活，因此设计者可以选用自己熟悉的m c u 对芯 片进行控制，也可以参考p h i l i p s 公司的同件( f i r m w a r e ) 结构来缩短开发时间、 降低风险、减小投资。本文重点介绍用f p g a 实现的固件程序。 p d i u s b d l 2 完全符合u s b l 1 版的规范。它还符合大多数器件的分类规格： 成像类、海量存储器件、打印设备以及人机接口设备。同样的，p d i u s b d l 2 理 想的适用于许多外设，例如：打印机、扫描仪、外部的存储设备( z i p 驱动器) 和数码相机等等。它使得当前使用s c s i 的系统可以立即降低成本。 p d i u s b d l 2 所具有的低挂起功耗连同l a z y c l o c k 输出可以满足使用a c p i 、 o n n o w 和u s b 电源管理的要求。低的操作功耗可以应用于使用总线供电的外设。 此外它还集成了许多特性，包括s o f l c o n n e t 、g o o d l l i n k 、可编程时钟输出， 低频晶振和终止寄存器集合。所有这些特性都为系统显著节约了成本，同时使 u s b 功能在外设上的应用变得容易。 o o o d l i n k 技术可提供良好的u s b 连接指示。在枚举中，l e d 指示根据通信 的状况间歇闪烁。当p d i u s b d l 2 成功的枚举和配置后。l e d 指示将一直点亮。 随后与p d i u s b d l 2 之问成功传输( 带应答) 将关闭l e d ，处于挂起状态时，l e d 将会关闭。 该特性为u s b 器件、集线器和u s b 通信状态提供了用户友好的指示。作为 一个诊断工具，它对隔离故障的设备是很有用的。该特性降低了现场支持和热线 的成本。 如图2 1 所示为d 1 2 管脚图。 第二章硬件电路设计 其管脚图说明如表2 1 所示。 p d i u s b d l 2 特性如下： 符合通用串行总线u s b1 1 版规范 高性能u s b 接口器件集成了s i ef i f o 存储器收发器以及电压调整器 图2 - 1d 1 2 的管脚排列 符合大多数器件的分类规格 可与任何外部微控制器微处理实现高速并行接e 1 2 m 字节秒 完全自治的直接内存存取d m a 操作 集成3 2 0 字节多结构f i f o 存储器 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并轻松实现实时数据传输 在批量模式和同步模式下均可实现i m 字节，秒的数据传输速率 具有良好e m i 特性的总线供电能力 在挂起时可控帝l j l a z y c l o c k 输出 可通过软件控制与u s b 的连接 采用g o o d l i n k 技术的连接指示器，在通讯时使l e d 闪烁 可编程的时钟频率输出 符合a c p io n n o w 和u s b 电源管理的要求 内部上电复位和低电压复位电路 有s 0 2 8 和t s s o p 2 8 封装 工业级操作温度4 0 + 8 5 高于8 k x 的在片静电防护电路减少了额外元件的费用 具有高错误恢复率( 9 9 ) 的全扫描设计确保了高品质 。一：=嚣il： l i l i 量l i 吣 第二章硬件电路设计 双电源操作3 3 士o 3 v 或扩展的5 v 电源，范围为3 6 5 5 v 多中断模式实现批量和同步传输 表2 = 1d 1 2 的管脚描述 管脚符号娄型 箍连 jd a t a 卸i 盼2_ 暖由嚣鬻惶0 2d a t a 鼢2 烈“墙姑忙2 4d a t a 1 0 2赶目壤姑使3 5g n dp魄 6d a t a 瞄，i d 2j 枝翔嚣臻荸心4 7d a t a l d 2般轴黢辩豫5 sd a t a d 2设妇坡姑付6 o d a t a , 一雠般朗数摧r7 魄鲢嚷拈健能鼎：管随地黔投掘总线巾，下释辩炙哦地埘爝恿 1 0 l e l 镶露蒋琏掰定为氍乜甲磁f l f 擎蚝翊留毪器蘑技削瑷。 l i 靠n l j i 逢氍彳f 效j 1 2 s u s p e n d k 0 0 4群锋礁f 壮起轶悫 1 3c t k o l r r0 2蹦帮砖锋输滋t ， 1 4 啊， 4 t p 龋t 氍“鳆 l s r dn l i 耋选调l 眭玎设， 1 6w rhlq 选道，_ | 匠教j 1 7 d m r e o 0 4 d m a 请裳 l s d m a c k 一 l d m 荇( 低钎设， d m a 传输豁嫩e 瓶缸设) 。嵌玎奠设当d m 燃n 萼珏r d 二k 1 9e o tni 或w rn 一起澈活时才“效。 堑靛c 低钉效n 乖髑步) ，“内上电餐 夔屯妊谴管脚可嘲矗二接 2 0r f s e i ni 、o ， 2 ia lno d 8 g o o dl i 瞌l e d 街币嚣t 怄f 放) 2 2 x t 址1 1赫瓢应豫端1 i6 m h z ) 晶钕违投端2 6 m h z ) 如袋采用辨端时钟惰号取代磊摄，可连 2 3x 1 o 接x - f a l l - x t a l 2 成盛空t 电鞠坦j k 40 x 55 v ) 蜚挺嚣性王作糍3 3 v - 对v c c 和v 咖j 2 4 v c c p 脚搿 | 莲烈33 v 2 5d -a1 9 5 曰d - 嚣秣线 2 6 d + a u s bd 4 故荆线 3 3 v 调雅输； i 蝥使嚣钟j 二忭畿3 3 、，- 对v 膳和v 洲n ，脚黼啦 2 7 v m , j p 擞3 3 v 。 地魅似。舢= i 避掸裔攒争a 0 - - 0 选择数鼯酬存引能电 2 8a 0l 垃，链獬总线嘉e 毽时川罄略，成褥接岛电1 1 。 经：0 2l2 m a 取动输 b o d 8l8 m a 瓤动，f 秘输懈 o d 4l4 r o a 骧硝，f 描籀出 1 0 2l4 m a 鞠出 2 2e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 ( f p g a ) 简介 a l t e r a 中等规模f p g a ，2 0 0 3 年推出，0 1 3 m i 艺，1 5 v 内核供电，是一种低成 本f p g a 系列，足目前主：流产晶。最高达2 0 ，0 6 0 个逻辑单元和2 8 8 k 位的i 认m ， 除此之外，c y c i o n e 系列的f p g a 还集成了许多复杂的功能。c y c l o n e 系列f p g a 提 供了全功能的锁相环( p l l ) ，用于板级的时钟网络管理和专用i o 接口，这些接 第二章硬件电路设计 口用于连接业界标准的外部存储器器件。c y c l o n e f p g a 为目前使用中小规模 a s i c 应用的下一代产品提供了一种低成本方案。现今的系统设计者面临着诸多 挑战，包括成本增加的压力和设计复杂性、新兴标准和设计周期缩短等。a s i c 开发涉及众多的工程资源。设计仿真和验证，通常需要多次流片。c y c l o n ef p g a 系列具有系统的集成能力，从而免除了a s i c 设计相关的昂贵的流片( n r e ) 费 用、最小订货量( m o q ) 和产品延期的风险。采用c y c l o n ef p g a ，系统设计者 能够获得一个和a s i c 相比价格上旗鼓相当的可编程方案，满足大批量应用的需 求。 飓风f p g a 的特点： - 2 9 1 0 2 0 0 6 0 个l e s - 最多有2 9 4 9 1 2 b i t s 的r a m 一支持l 、，t t l 、l v c m o s 、s s t l - 2 和s s t l 3 的f o 标准 _ 高速( 6 4 0 m b p s ) l v d s 的i o 标准 低速( 3 l l m b p s ) l v d s 的i o 标准 _ 3 1 1 - m b p sr s d s 的i o 标准 一每个器件最多可以有2 个锁相环，并且有多个时钟和相位移动 一支持外部的寄存器，包括d d r 的s d r a m ( 1 3 3 m h z ) 、f c r a m 和s d r 的 s d r a m 一支持大量的i p 核。包括a l t e r a 公司的m e g a c o r e 功能和a m p p ( a l t e r a m e g a f u n e f i o n sp a r t n e r sp r o g r a m ) 功能。 2 3f p g a 的硬件程序设计 f p g a 的硬件程序主要有两个方面。第一方面是f p g a 和c m o s 图像传感 器通信的程序，第二方面是f p g a 和d 1 2 通信的程序。 2 3 1f p g a 和c m o s 图像传感器之间通信 整个系统有一个复位按键，当系统上电以后，按下复位键，就会产生一个复 位脉冲信号，f p g a 检测到这个复位脉冲信号以后，立即发出一系列信号给 c m o s 图像传感器，发出的信号有r e s e td o w n 、s t a r t 、w r i t e _ _ e n a b l e 信号，c m o s 图像传感器接收到这些信号后，就会产生相应的应答信号v s y n c 、h s y n c 等信号， 如图2 - 2 下所示： 第二章硬件电路设计 这时p f g a 对这些信号并不采集。 当用户在应用程序中给出一个往下传输命令的时候，f p g a 接到这个命令以 后，又产生了一系列的信号，如图2 - 3 所示： 这时f p g a 对这些信号仍然不采集。 r e s e td o w n 广1 一i 一 辫畲荑粉 图2 2 复位键按下后系统产生的波形 积分时间 的高八位 积分时间 的低八位 图2 3 传输命令发出后系统产生的波形 当用户在应用程序中发送要显示图像的命令时，f p g a 接收到这个命令后就 第二章硬件电路设计 开始检测c m o s 图像传感器输出的帧同步信号和行同步信号，帧同步信号和行 同步信号同时为商时，采集来自c m o s 图像传感器的像素数据。一个时钟周期 采集一个像素数据，采集后存在f p g a 内部的r a m 里，当存满了一帧的像素数 据后，f p g a 就不再采集像素数据了，而是把r a m 里的数据通过u s b 接口传输 到p c 机，p c 机端的应用程序再把这些数据显示在屏幕上。p c 机显示一帧图像 以后，f p g a 又开始采集另一帧的像素数据，这样周而复始的进行，连续的图象 就在p c 机上显示出来了。 2 3 2 f p g a 和d 1 2 之间通信的程序 d 1 2 的圄件程序由以下几个部分组成的；硬件提取层子程序部分、d 1 2 命 令接口予程序部分、中断服务子程序部分、标准设备请求子程序部分、协议层子 程序部分、主程序部分。这些子程序是异jv e r i l o gh d l 中的t a s k 来完成的。硬件 提取层程序是圃件程序中的最低层代码，对d 1 2 进行读写操作。d 1 2 命令接口 程序部分包含了d 1 2 的所有功能函数，这部分程序是调用硬件提取层程序函数 来实现对d 1 2 操作的。中断服务程序部分处理由d 1 2 产生的中断，将数据从 d 1 2 的内部f i f o 取回到c p u 存储器并建立正确的事件标志以通知主循环进行处 理。标准请求程序部分处理u s b 的标准请求。主程序部分检查事件标志并进入 相应的子程序进行进一步的处理，在主程序里还包括数据采集和数据传输的内 容。下面分别介绍这几部分程序； 1 硬件提取层子程序 在硬件提取层所要做的是用f p g a 来模仿5 l 单片机的对片外r a m 进行读 写的时序来完成对d 1 2 的读写。单片机对片外r a m 的读写时序如图2 4 和图 2 5 所示( 可以参考参考文献回) 。在程序中用f p g a 模拟了这两部分的时序， 注意的是f p g a 在模拟这个时序的时候，a l e 信号的处理，a l e 是一个对振荡 器六分频的信号。描述完a l e 信号以后，按照时序就可以写出其它信号的时序 了，就能完成基本的读写功能。 其中产生a l e 信号的程序代码如下： a l w a y s ( p o s e d g ec l k ) ，产生a l e 信号，是c l k 信号的六分频 b e g i n i f ( ! r e s e t ) b e g i n a l e = l 屯0 ： 置a l e ；1 b l ； 第二章硬件电路设计 c o u n t e ra l e i = 4 。b 0 0 0 0 ； e o u n t e r a l e 2 = 4 b 0 0 0 0 ； e n d e l s e b e g i n i f ( i fa l e ) b e g i n i f ( c o u n t e ra l e l 一1 、 ，高电平占两个c l k 时钟周期 b e g i n f f _ a l e = ! f f _ a l e ； c o u n t e r _ a l e l = 4 0 0 0 0 0 ； e n d e l s e b e g i n c o u n t e ra l e l = c o u n t e ra l e l + 4 0 0 0 0 1 ； a l e = l 0 1 ； e n d e n d e l s e b e g i n i f ( c o u n t e ra l e 2 一- - - - 9 ) ，低电平占1 0 个c l k 时钟周期 b e g i n f fa l e = t f f _ a l e ； c o u n t e r _ a l e 2 = 4 b 0 0 0 0 ； e n d e l s e b e g i n c o u n t e r _ _ a l e 2 = e o u n t e r _ a l e 2 + 4 b 0 0 0 1 ； a l e = l t b o ： e n d e n d e n d e n d 在产生了a l e 信号的时序以后，就可以调用从d 1 2 读数据的函数和对d 1 2 第二章硬件电路设计 写数据的函数了， 代码如下： t a s kh a l _ w r i t e ； 这两个函数都是用t a s k 来完成的。其中向d 1 2 写数据的程序 i n p u t 7 ：0 】h a lw r i t ea d d r e s s ； i n p u t 7 ：o 】h a l _ c o n t r o l _ d a t a ； i l w t i t ed a t at od 1 2 a d d r e s s d a t a h mw r i t e - d a t ai st h ea a t a ( o u t p u t ) i nt h em a i n ，时序要比书上的要延后一个拍节。 h a lw r i t es t a t e l ：b e g i n i f ( ! a l e ) b e g i n h a l _ w r i t es t a t e = h a l _ w r i t e _ s t a t e 2 ； e n d e l s e b e g i n h a lw r i t e _ s t a t e = h a l _ w r i t es t a t e i ； e n d e n d h a lw r i t e _ s t a t e 2 ：b e g i n i f ( a l e ) b e g i n l i n k _ d a t a = 1 o l ； d a t a _ r e g 7 ：o = h a lw r i t ea d d r e s s 7 ：0 ； d a t a _ r e g 7 ：o = 8 b 1 0 0 1 1 0 0 1 ； h a lw r i t e _ s t a t e = h a l _ w r i t es t a t e 3 ； e n d e l s e b e g i n h a lw r i t e _ s t a t e = h a l _ w r i t e _ s t a t e 2 ； e n d e n d h a lw r i t e _ s t a t e 3 ：b e g i n h a lw r i t e - s t a t e = h a lw r i t e _ s t a t e 4 ； e n d h a l w r i t es t a t e 4 ：b e g i n 1 2 第二章硬件电路设计 h a l _ w r i t e _ s t a t e = h a l _ w r i t es t a t e 5 ； e n d h a lw r i t e _ _ s t a t e 5 ：b e g i n d a t a _ r e g 7 ：0 = h a l _ c o n t r o l _ d a t a 7 ：0 ； h a lw n t es t a t e = h a l _ w r i t es t a t e 6 ； e n d h a lw r i t es t a t e 6 ：b e g i n w r = v b o ； h a l _ w r i t e _ s t a t e = h a l _ w r i t c _ _ s t a t e 7 ； e n d h a lw r i t e - s t a t e 7 ：b e g i n h a l _ w r i t e s t a t e = h a l _ w r i t e _ s t a t e g ； e n d h a lw r i t e - s t a t e s ：b e g i n h a l _ w r i t e _ s t a t e = h a lw r i t e _ s t a t e 9 ； e n d h a lw r i t es t a t e 9 ：b e g i n h a lw r i t e _ _ s t a t e = h a lw r i t es t a t e l o ； e n d h a l _ w r i t es t a t e l 0 ：b e g i n h a lw r i t e _ s t a t e = h a lw r i t e - s t a t e l l ； e n d h a lw r i t es t a t e l1 ：b e g i n h a lw r i t es t a t e = h a lw r i t e _ s t a t e l 2 ； e n d h a lw r i t e s t a t e l 2 ：b e g i n 、 | r = 1 b l ： h a l _ w r i t e _ s t a t e = h a lw r i t e - s t a t e l 3 ； e n d h a lw r i t e _ s t a t e l 3 ：b e g i n h a l _ w r i t e _ s t a t e = h a lw r i t e - s t a t e l 4 ； e n d h a lw r i t es t a t e l 4 ：b e g i n l i n kd a