基于FPGA的CMOS工業相機設計

周光宇　程萍

摘 要： 針對傳統的工業相機成本高昂、靈活性差的缺點，設計了基于FPGA的CMOS工業相機。在分析工業相機原理的基礎上設計了CMOS工業相機的硬件電路，利用FPGA配置圖像傳感器并采集圖像數據，然后在FPGA中緩存處理，最后通過Camera Link接口輸出圖像數據。仿真結果顯示，該相機可以以20 f/s的幀頻輸出960P的圖像數據，同時該相機可穩定連續工作，相機可將圖像處理算法移植進來，有著較好的靈活性。

關鍵詞： 工業相機； 圖像傳感器； 可編程邏輯門陣列； Camera Link接口

中圖分類號： TN409?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0134?03

Abstract： The traditional industrial camera has the characteristics of expensive cost and poor flexibility， so a CMOS industrial camera based on FPGA is designed. The hardware circuit of the CMOS industrial camera was designed on the basis of the analysis of the industrial camera′s principle. The FPGA is used to configure the image sensor， acquire the image data and conduct buffer processing of the data in FPGA. The image data is output through the Camera Link interface. The simulation results show that the camera can output the image data （960 pixel） with the frequency of 20 f/s， work stably and continuously， and transplant the image processing algorithm into it， which has perfect flexibility.

Keywords： industrial camera； image sensor； FPGA； Camera Link interface

機器視覺不再僅僅替代人眼獲取圖像，更具有人的大腦提取、處理信息的功能。相機在機器視覺技術中扮演著眼睛的作用，它不僅直接決定所采集到的圖像分辨率、圖像質量等，同時也與整個系統的運行模式直接相關[1]。傳統的工業相機是由專用的集成芯片控制圖像傳感器完成光電轉換后將數據傳輸到計算機中，成本高且靈活性差[2]。20世紀80年代，FPGA技術的引入為數字邏輯設計開創了新的可行性，FPGA同時具備了硬件的并行性及軟件的靈活性[3]。由于FPGA可編程邏輯的容量大、靈活性強擊并行處理能力和內嵌DSP多模塊等特點，本文設計了一款基于FPGA的CMOS工業相機，實現了圖像采集及數據傳輸的功能。

1 系統總體設計

本相機主要包括四部分：圖像傳感器模塊、FPGA核心控制模塊、Camera Link接口電路以及SRAM存儲器模塊，系統結構如圖1所示。上位機通過Camera Link接口電路中的串口通信將相機的工作參數及命令輸出給FPGA，FPGA按接收到的命令控制圖像傳感器并采集圖像，采集到的圖像數據傳輸至FPGA中按行緩存，最后通過Camera Link接口輸出到上位機中。

2 相機硬件電路設計

2.1 圖像傳感器外圍電路設計

采用安森美半導體公司的MT9M034圖像傳感器。MT9M034是一款1/3.0英寸，1 280×960有源像素陣列的CMOS數字圖像傳感器，可以產生清晰，銳利的數字圖像。在線性模式下，每個像素時鐘下可并行輸出12位原始數據，可同時輸出線和幀信號，相機還可通過外部觸發信號工作[4]。MT9M034圖像傳感器共需要5種供電，分別為像素電源2.8 V、模擬電源2.8 V、I/O電源1.8 V、核心電源1.8 V和PLL電源2.8 V。供電電源要充分解耦。設計時數字部分和模擬部分要分開。

2.2 Camera Link電路設計

Channel Link由一對驅動器和接收器組成。驅動器接收28位單端數據信號和一位單端時鐘。驅動器總共驅動5條LVDS數據流，包括以7∶1方式串行化的4條LVDS數據流和1個專用的時鐘傳輸通道。接收器接收4路LVDS數據信號和1路LVDS時鐘信號，將數據流轉換回28位的CMOS/TTL并行數據和一位時鐘[5]。電路結構如圖2所示，相機與FPGA之間分別由差分信號驅動器DS90CR287、接收器DS90LV048、驅動接收器DS90LV019轉換。FPGA的輸入輸出信號經過轉換以后連接到MDR26連接器上，在差分信號之間要100 Ω的差分阻抗。

3 相機軟件設計

3.1 相機控制模塊

在本設計中FPGA為主設備，圖像傳感器為從設備。FPGA產生時鐘（SCLK），輸入到圖像傳感器以同步傳輸，數據（SDATA）在FPGA與圖像傳感器之間雙向傳輸。SDATA上拉1.5 kΩ電阻到VDD_IO[6]。I2C接口總線定義傳輸代碼如圖3所示。

Start bit是起始位，Slave Address是器件地址，包括7個地址位和1個方向位，最低有效位為“0”時表示寫模式，為“1”時表示讀模式；ACK/NoACK是應答位，每一個被傳送的字節后面都跟隨1位應答位；8 b Message是數據，每次傳送8位數據，其后是應答位；Stop bit是停止位，時鐘線為高電平，數據線由低電平變為高電平時有效[7]。endprint

相機控制模塊主要是對圖像的尺寸，輸出時鐘頻率自動曝光，增益和積分時間等寄存器進行了相應的設置。I2C 控制模塊主要對 SCLK 和 SDATA 按照標準控制來進行寄存器的讀/寫。I2C總線仿真圖如圖4所示。

3.2 串口通信模塊

串口通信模塊用于設置相機的控制參數，主要有圖像的尺寸、積分時間和增益。

（1） 波特率產生器。根據過采樣采集原理，要產生一個為UART傳輸波特率的16倍的采樣頻率[8]。對于9 600 b/s波特率而言，采樣頻率應為153 600。系統時鐘為50 MHz，波特率產生器需要模為326的計數器。

（2） UART接收器/發送器。接收器包括三個狀態：開始、數據傳輸和停止狀態，對應于UART傳輸協議中的開始位、數據傳輸位、停止位。

（3） FIFO緩沖器。本設計采用FIFO（First In First Out）緩存器，FIFO緩沖器由FPGA中的IP核生成[9]。

UART的接收和發送子模塊結合起來，就可建立完整的UART模塊，圖5為串口通信模塊的RTL視圖，接收模塊和發送模塊共用一個波特率產生器。

3.3 圖像接收與輸出模塊

圖像數據采集到后，首先在FPGA內部的RAM中進行緩存，然后再通過Camera Link接口輸出圖像數據。圖像傳感器的圖像數據輸出格式如圖6所示，當FV為高的時候代表幀有效，LV為高的時候代表線有效，FV與LV同時為高時圖像數據有效。

在本設計中，圖像像素大小為1 280H×960V。圖像傳感器輸出圖像數據至FPGA后，數據緩存至雙端口RAM中。同時Camera Link驅動模塊從雙端口RAM中讀取數據輸出至差分驅動器DS90CR285。采用乒乓操作的方式，寫第1行時讀第2行，寫第2行的時候讀第1行。雙端口RAM采用不同的讀寫時鐘，寫時鐘為圖像傳感器輸出像素時鐘（PIXCLK）74.25 MHz。當FV和LV同時有效時寫使能有效，寫地址線為12位，數據線為12位；讀時鐘為Camera Link時鐘50 MHz，采用A/B的方式輸出圖像，RAM的讀地址線為11位，數據線為24位。Camera Link輸出模塊狀態轉移示意圖見圖7。

利用DALSA圖像采集卡X64 Xcelera?CL LX1采集圖像，通過圖像采集軟件可觀察到相機的幀頻為20 f/s，圖像大小為1 280×960，可實時觀察到圖像且無卡頓。

4 結 論

本文設計的基于FPGA的CMOS工業相機以FPGA為核心控制器，通過I2C總線配置CMOS圖像傳感器MT9P034，將采集到的圖像數據在FPGA內緩存后通過Camera Link接口輸出，同時可通過Camera Link接口修改圖像傳感器的配置參數。本相機的軟件配置都是通過FPGA進行的，可將圖像處理算法如邊緣檢測、圖像濾波等移植到該相機軟件中，具有較高的實用性。

參考文獻

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[2] 程瑤，周娜，王榮秀.基于FPGA的線陣型CCD驅動電路設計[J].電子器件，2017（1）：82?86.

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[4] ON Semiconductor. 1/3?inch CMOS digital image sensor MT9M034 data sheet [EB/OL]. [2012?06?27]. https：//wenku.baidu.com/view/d2b67d11866fb84ae45c8dcf.html.

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[9] 劉慧忠.基于FPGA的紙病檢測預處理系統的研究與實現[D].西安：陜西科技大學，2015.

[10] 周光宇，劉慧忠.邊緣檢測算法的FPGA實現[J].計算機系統應用，2015（10）：271?275.endprint