基于FPGA的MIPICSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计和优势

摘要：阐述一种基于FPGA的MIPICSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计，该设计用FPGA实现当前应用广泛的MIPI高清 CCD采集，并提供LCD屏、USB两路输出，数据传输稳定可靠，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发， 节省成本。

 引言

CSI（CameraSerialInterface)是由MIPI（MobileIndustryProcessorInterface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI联盟旨在确定并推动移动应用处理器接口的开放性标准。CSI接口具有接口少、抗EMI强、速度快、功耗低等优点。CSI-2是MIPICSI第二版，CSI-2由应用层、协议层、物理层组成，最大支持4通道数据传输，单线传输速度高达1Gb/s[1-2]。

系统使用的图像传感器是OV5640， 该CCD分辨率高达5M像素，提供两通道MIPI数据传输[3]。系统使用的FPGA为xilinx的Spartan-6，型号为XC6SLX45，该系列的FPGA拥有业界领先的系统集成能力，同时为成本敏感型应用带来了低风险、低成本和低功耗的最佳平衡[4-5]。

本文阐述如何在FPGA上进行MIPICSI-2接口设计，实现高清摄像头数据采集、显示、接口转换，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。

1系统设计原理

MIPICSI-2图像采集系统如图1所示，整个系统由CCD图像传感器、FPGA、DDR、FLASH存储器组成。CPU使用SOPC，CCD驱动模块、USB驱动模块、LCD驱动模块、DDR管理模块等在FPGA内部设计。

CCD图像传感器经光电转换，把采集到的图像经MIPI接口传到FPGA，FPGA解码后把图像存储在DDR，后分两路输出，一路送到LCD显示屏实时显示，另一路转换成USB接口输出。

 

图1 MIPICSI-2图像采集系统框图

2 软硬件设计

2.1硬件设计
MIPI接口有低功耗和高速两种工作模式，低功耗模 式下的电平为0～1.2V，可直接接到FPGA的I/O口，只需把接口电平配置成LVCOMS1.2V，高速模式下的电平标准是SLVS，其共模电压为200mV，摆幅为200mVp-p，高速模式下的接口连接需要做一些处理。目前市场上的FPGA还没有SLVS电压标准的接口，幸运的是Spartan-6带有LVDS电平接口。由图2可以看出，做为接收端，FPGA的LVDS接口终端电阻使用外部电阻，其共模电压最低可以达到100mv，而SLVS高速模式下的共模电压在200mv左右，在LVDS的允许范围内，可用于MIPI接收，其IO口连接按图3所示的接法设计，解决FPGA与MIPICSI-2物理层（D-PHY）电平匹配问题。

OV5640为两通道MIPI数据口，加上时钟信号，FPGA端用3对LVDS、6个1.2V电平普通IO、2个用于I2C控制普通IO。

DDR选用的为16位MT46H64M16LFBF，其接口控制模块使用Spartan-6自带的MCB硬核设计，MCB可使DDR达到较高速安全运行，并且MCB自带温漂补偿功能，环境适应能力较强。

数据输出部分使用的是标准接口，LCD显示屏接口使用的是24位标准RGB接口，由于FPGA内嵌的USB2.0内核价格昂贵，USB传输系统使用了Cypress公司的CY7C68013芯片。

 

图2 SLVStoLVDSSignalLevels

 

 

图3 FPGAD-PHY接收接口设计

2.2系统设计
整个系统数据处理、驱动设计、接口管理都在FPGA内部设计，FPGA设计时使用工具软件Xilinx ISE DesignSuite13.4，通过硬件描述语言VHDL编程。系统上电后，FPGA自动从FLASH里加载程序，程序加载完毕由SOPC完成各模块参数设置。

OV5640数据位传送方式如图4所示，通道LANE1传输偶数位，LANE1传输奇数位。FPGA解码模块参考图5所示原理设计，串并转换模块使用ISERDES2原语设计，双通道串行数据经合并单元转换成并行数据后以帧的形式存储到DDR里。

 

图4 OV5640数据传输方式

 

 

图5 FPGA接收数据 处理框图

LCD驱动模块从DDR里读出前一帧数据，然后转换成24位标准RGB数据输出到显示屏全彩显示，同样USB管理模块从DDR里读出数据送给CY7C68013芯片，可配置成ISOCHRONOUS和BULK两种模式输出。

3 实验结果

整个处理系统在单一FPGA内部设计，外围电路简单、无干扰、功耗低。MIPI摄像头高速模式时与FPGA的LVDS接口连接，LVDS选用外部150Ω终端电阻，成功解决了FPGA与MIPICSI-2物理层电平匹配问题。

经测试，OV5640配置成1080P，以30pfs帧率传送，数据传输安全可靠，系统功率小于0.6W，图6为LCD屏的显示效果。另外，USB输出接口可直接挂接到PC或其它USB接口设备上，用于后级图像数据高级处理，加快系统开发。

 

图6 LCD屏显示效果图

本设计以较低成本成功在FPGA上实现了MIPICSI-2摄像头高速图像实时采集、显示、接口转换。