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[XILINX] 【正点原子FPGA连载】第二十章 OV7725摄像头LCD显示--摘自【正点原子】领航者ZYNQ之嵌入式开发指南_V1.2

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发表于 2020-9-8 11:42:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 正点原子01 于 2020-9-8 11:42 编辑

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第二十章OV7725摄像头LCD显示

OV7725是OmniVision（豪威科技）公司生产的一颗CMOS图像传感器，该传感器功耗低、可靠性高以及采集速率快，主要应用在玩具、安防监控、电脑多媒体等领域。本章我们将使用领航者Zynq开发板实现对OV7725的数字图像采集并通过LCD实时显示。
本章包括以下几个部分：
1         
1.1        简介
1.2        实验任务
1.3        硬件设计
1.4        软件设计
1.5        下载验证
简介
OV7725是一款1/4英寸单芯片图像传感器，其感光阵列达到640*480，能实现最快60fps分辨率的图像采集。传感器内部集成了图像处理的功能，包括自动曝光控制（AEC）、自动增益控制（AGC）和自动白平衡（AWB）等。同时传感器具有较高的感光灵敏度，适合低照度的应用，下图为OV7725的功能框图。
image002.png
图 0.1 OV7725功能框图
由上图可知，感光阵列（imagearray）在XCLK时钟的驱动下进行图像采样，输出640*480阵列的模拟数据；接着模拟信号处理器在时序发生器（video timing generator）的控制下对模拟数据进行算法处理（analogprocessing）；模拟数据处理完成后分成G（绿色）和R/B（红色/蓝色）两路通道经过AD转换器后转换成数字信号，并且通过DSP进行相关图像处理，最终输出所配置格式的10位视频数据流。模拟信号处理以及DSP等都可以通过寄存器（registers）来配置，配置寄存器的接口就是SCCB接口，该接口协议兼容IIC协议。
SCCB（Serial Camera Control Bus，串行摄像头控制总线）是由OV（OmniVision的简称）公司定义和发展的三线式串行总线，该总线控制着摄像头大部分的功能，包括图像数据格式、分辨率以及图像处理参数等。OV公司为了减少传感器引脚的封装，现在SCCB总线大多采用两线式接口总线。
OV7725使用的是两线式接口总线，该接口总线包括SIO_C串行时钟输入线和SIO_D串行双向数据线，分别相当于IIC协议的SCL信号线和SDA信号线。我们在前面提到过SCCB协议兼容IIC协议，是因为SCCB协议和IIC协议非常相似，有关IIC协议的详细介绍请大家参考“EEPROM读写实验”章节。
SCCB的写传输协议如下图所示：
image004.png
图 0.2 SCCB写传输协议
上图中的ID ADDRESS是由7位器件地址和1位读写控制位构成（0：写 1：读），OV7725的器件地址为7’h21，所以在写传输协议中，ID Address（W） =8’h42（器件地址左移1位，低位补0）；Sub-address为8位寄存器地址，在OV7725的数据手册中定义了0x00~0xAC共173个寄存器，有些寄存器是可改写的，有些是只读的，只有可改写的寄存器才能正确写入；WriteData为8位写数据，每一个寄存器地址对应8位的配置数据。上图中的第9位X表示Don’t Care（不必关心位），该位是由从机（此处指OV7725）发出应答信号来响应主机表示当前ID Address、Sub-address和Write Data是否传输完成，但是从机有可能不发出应答信号，因此主机（此处指FPGA）可不用判断此处是否有应答，直接默认当前传输完成即可。
我们可以发现，SCCB和IIC写传输协议是极为相似的，只是在SCCB写传输协议中，第9位为不必关心位，而IIC写传输协议为应答位。SCCB的读传输协议和IIC有些差异，在IIC读传输协议中，写完寄存器地址后会有restart即重复开始的操作；而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，发起总线停止信号，下图为SCCB的读传输协议。
image006.png
图 0.3 SCCB读传输协议
由上图可知，SCCB读传输协议分为两个部分。第一部分是写器件地址和寄存器地址，即先进行一次虚写操作，通过这种虚写操作使地址指针指向虚写操作中寄存器地址的位置，当然虚写操作也可以通过前面介绍的写传输协议来完成。第二部分是读器件地址和读数据，此时读取到的数据才是寄存器地址对应的数据，注意ID Address（R） = 8’h43（器件地址左移1位，低位补1）。上图中的NA位由主机（这里指FPGA）产生，由于SCCB总线不支持连续读写，因此NA位必须为高电平。
在OV7725正常工作前，必须先对传感器进行初始化，即通过配置寄存器使其工作在预期的工作模式，以及得到较好画质的图像。因为SCCB的写传输协议和IIC几乎相同，因此我们可以直接使用IIC的驱动程序来配置摄像头。当然这么多寄存器也并非都需要配置，很多寄存器可以采用默认的值。OV公司提供了OV7725的软件使用手册（OV7725 Software Application Note，位于开发板所随附的资料“7_硬件资料/6_OV7725资料/OV7725Software Application Note.pdf”），如果某些寄存器不知道如何配置可以参考此手册，下表是本程序用到的关键寄存器的配置说明。
表 0.1 OV7725关键寄存器配置说明

OV7725的寄存器较多，对于其它寄存器的描述可以参OV7725的数据手册。
下图为OV7725的一些特性。
image008.png
图 0.4 OV7725的特性
从上图可以看出，OV7725的输入时钟频率的范围是10Mhz~48Mhz；SCCB总线的SIO_C的时钟频率最大为400KHz；配置寄存器软件复位（寄存器地址0x12 Bit[7]位）和硬件复位（cam_rst_n引脚）后需要等待最大1ms才能配置其它寄存器；每次配置完寄存器后，需要最大300ms时间的延迟，也就是10帧图像输出的时间才能输出稳定的视频流。
OV7725支持多种不同分辨率图像的输出，包括VGA（640*480）、QVGA（320*240）以及CIF（一种常用的标准化图像格式，分辨率为352*288）到40*30等任意尺寸。可通过寄存器地址0x12（COM7）、0x17（HSTART）、0x18（HSIZE）、0x19（VSTRT）、0x1A（VSIZE）、0x32（HREF）、0x29（HoutSize）、0x2C（VOutSize）、0x2A（EXHCH）来配置输出图像的分辨率。
OV7725支持多种不同的数据像素格式，包括YUV（亮度参量和色度参量分开表示的像素格式）、RGB（其中RGB格式包含RGB565、RGB555等）以及8位的RAW（原始图像数据）和10位的RAW，通过寄存器地址0x12（COM7）配置不同的数据像素格式。
由于摄像头采集的图像最终要通过RGBLCD接口显示在LCD液晶屏上，且领航者开发板上的LCD接口为RGB888格式（详情请参考“LCD彩条显示实验”章节），因此我们将OV7725摄像头输出的图像像素数据配置成RGB565格式，然后通过颜色分量低位补零的方式将RGB565格式转换为RGB888格式。本次实验采用OV7725支持的最大分辨率640*480，下图为摄像头输出的VGA帧模式时序图。
image010.jpg
图 0.5 VGA帧模式输出时序图
在介绍时序图之前先了解几个基本的概念。
VSYNC：场同步信号，由摄像头输出，用于标志一帧数据的开始与结束。上图中VSYNC的高电平作为一帧的同步信号，在低电平时输出的数据有效。需要注意的是场同步信号是可以通过设置寄存器0x15 Bit[1]位进行取反的，即低电平同步高电平有效，本次实验使用的是和上图一致的默认设置；
HREF/HSYNC：行同步信号，由摄像头输出，用于标志一行数据的开始与结束。上图中的HREF和HSYNC是由同一引脚输出的，只是数据的同步方式不一样。本次实验使用的是HREF格式输出，当HREF为高电平时，图像输出有效，可以通过寄存器0x15 Bit[6]进行配置。本次实验使用的是HREF格式输出；
D[9:0]：数据信号，由摄像头输出，在RGB格式输出中，只有高8位D[9:2]是有效的；
tPCLK：一个像素时钟周期；
tp：单个数据周期，这里需要注意的是上图中左下角红框标注的部分，在RGB模式中，tp代表两个tPCLK（像素时钟）。以RGB565数据格式为例，RGB565采用16bit数据表示一个像素点，而OV7725在一个像素周期（tPCLK）内只能传输8bit数据，因此需要两个时钟周期才能输出一个RGB565数据；
tLine：摄像头输出一行数据的时间，共784个tp，包含640tp个高电平和144tp个低电平，其中640tp为有效像素数据输出的时间。以RGB565数据格式为例，640tp实际上是640*2=1280个tPCLK；
由图 21.1.5可知，VSYNC的上升沿作为一帧的开始，高电平同步脉冲的时间为4*tLine，紧接着等待18*tLine时间后，HREF开始拉高，此时输出有效数据；HREF由640tp个高电平和144tp个低电平构成；输出480行数据之后等待8*tLine时间一帧数据传输结束。所以输出一帧图像的时间实际上是tFrame =（4 + 20 + 480 + 6）*tLine = 510tLine。
由此我们可以计算出摄像头的输出帧率，以PCLK=25Mhz（周期为40ns）为例，计算出OV7725输出一帧图像所需的时间如下：
一帧图像输出时间：tFrame= 510*tLine = 510*784tp = 510*784*2tPCLK = 799680*40ns = 31.9872ms；
摄像头输出帧率：1000ms/31.9872ms≈ 31Hz。
如果把像素时钟频率提高到摄像头的最大时钟频率48Mhz，通过上述计算方法，摄像头的输出帧率约为60Hz。
下图为OV7725输出RGB565格式的时序图：
image012.png
图 0.6 RGB565模式时序图
上图中的PCLK为OV7725输出的像素时钟，HREF为行同步信号，D[9:2]为8位像素数据。OV7725最大可以输出10位数据，在RGB565输出模式中，只有高8位是有效的。像素数据在HREF为高电平时有效，第一次输出的数据为RGB565数据的高8位，第二次输出的数据为RGB565数据的低8位，firstbyte和second byte组成一个16位RGB565数据。由上图可知，数据是在像素时钟的下降沿改变的，为了在数据最稳定的时刻采集图像数据，所以我们需要在像素时钟的上升沿采集数据。
实验任务
本节实验任务是使用领航者开发板及OV7725摄像头实现图像采集，并通过RGB LCD屏实时显示。
硬件设计
我们的领航者Zynq开发板上有一个摄像头扩展接口，该接口可以用来连接OV7725/OV5640等摄像头模块。由于SCCB接口通信需要接上拉电阻，因此，将CMOS_SCL信号和CMOS_SDA信号连接上拉电阻，原理图如图 21.3.1所示：
image014.jpg
图 0.1 摄像头扩展接口原理图
ATK-OV7725是正点原子推出的一款高性能30W像素高清摄像头模块。该模块通过2*9排针（2.54mm间距）同外部连接，我们将摄像头的排针直接插在开发板上的摄像头接口即可，模块外观如图 21.3.2所示：
image016.png
图 0.2 ATK-OV7725摄像头模块实物图
我们在前面说过，OV7725在RGB565模式中只有高8位数据是有效的即D[9:2]，而我们的摄像头排针上数据引脚的个数是8位。实际上，摄像头排针上的8位数据连接的就是OV7725传感器的D[9:2]，所以我们直接使用摄像头排针上的8位数据引脚即可。
需要注意的是，由图 21.3.1可知，摄像头扩展口的第18个引脚定义为CMOS_PWDN，而我们的OV7725摄像头模块的PWDN引脚固定为低电平，也就是一直处于正常工作模式。OV7725摄像头模块的第18个引脚定义为SGM_CTRL，这个引脚是摄像头驱动时钟的选择引脚。OV7725摄像头模块内部自带晶振的，当SGM_CTRL引脚为低电平时，选择使用摄像头的外部时钟，也就是FPGA需要输出时钟给摄像头；当SGM_CTRL引脚为高电平时，选择使用摄像头的晶振提供时钟。本次实验将SGM_CTRL引脚驱动为高电平，这样就不用为摄像头提供驱动时钟，即不用在CMOS_XCLK引脚上输出时钟。
由于RGB LCD屏的引脚数目较多，且在前面相应的章节中已经给出它们的管脚列表，这里
只列出摄像头相关管脚分配， 如下表所示：
表 0.1 OV7725摄像头管脚分配
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在“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验中，我们使用了Xilinx提供的VDMA IP核，实现了RGB LCD液晶屏显示彩条的功能。在该实验中，数据源由PS通过向DDR3中写入彩条数据产生的，我们只使能了VDMA IP核的读通道，通过读通道来将AXI4 Memory Map格式的数据流转换成AXI4-Stream类的数据流。而对于本次实验来说，只需要在此基础上，将彩条数据替换成由OV7725摄像头输出的图像数据即可，因此对于本次实验的重点是将摄像头的图像数据写入VDMAIP核的帧缓存中，即DDR3内存中，即可实现摄像头的图像显示。
VDMA支持AXI4 Memory Map格式转换成AXI4-Stream格式，同时也支持AXI4-Stream格式转成AXI4 Memory Map格式，因此可以通过VDMA将图像数据写入帧缓存中，也就是使能VDMA的写通道，来将图像数据写入帧缓存中。需要注意的是，我们需要先将图像数据转换成AXI4-Stream的格式，才能通过VDMA的写通道写入帧缓存中，Xilinx提供了Video in to AXI4-Stream IP核，可以实现视频数据流转成AXI4-Stream流，因此本次实验可以通过添加Video in toAXI4-Stream IP核实现数据格式的转换。
Video in toAXI4-Stream IP核的输入端口为视频数据流，而OV7725摄像头输出的数据为行场同步信号控制的8位数据，这两个端口不可以直接连接，需要先经过数据的转换才能连接，因此本次实验通过添加了一个图像采集的IP核来实现这个数据的转换，本次实验的框图如下图所示：
image018.png
图 0.3 系统架构框图
通过对比上图中的框图和“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验的框图可知，我们只是在此基础上，添加了OV7725图像采集IP核和Videoin to AXI4-Stream IP核，其它的IP核仍然和“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验一致，只不过在VDMA IP核的配置上，需要使能VDMA的写通道。并且对于本次使用来说，需要对帧缓存进行频繁的写入和读出，为了避免读通道和写通道同时访问同一帧缓存，那么VMDA必须配置成动态同步锁相的模式，且帧缓存数量要大于等于3。由于分配过多的帧缓存区域对效率的提升已经微乎其微，且会占用更多的存储空间和消耗CPU的时间，因此本次实验将帧缓存空间设置为3，并采用动态同步锁相的模式。
由于OV7725摄像头需要经过初始化之后，才能正常工作。本次实验通过SCCB接口对OV7725进行配置，SCCB端口是通过EMIO连接至PS中，SCCB的驱动由PS实现。
最后我们再来看下图 21.3.3 中数据流的走向。OV7725图像采集是我们自定义的IP核，负责将OV7725的数据转成视频流数据；视频流数据经过Video in to AXI4-StreamIP核转换成AXI4-Stream IP格式数据流，然后通过VDMA的写通道转成AXI4 Memory Map格式，并最终写入DDR内存中。VDMA通过AXI Smartconnect IP核与AXI_HP端口进行连接，从而高效访问DDR3，VDMA从DDR3中读取的视频或图像数据传输给AXI4-Stream to Video Out IP核。AXI4-Stream toVideo Out IP核在VTC IP核的控制下，把AXI4-Stream格式的数据转换成视频输出的数据格式（如RGB888），并将输出的视频数据流连接至RGB2LCD IP核（rgb2lcd）的输入端。RGB2LCD IP核是本次实验自定义的IP核，实现了获取LCD屏的ID，以及将LCD屏的引脚封装到总线接口上，以方便将LCD引脚引出至顶层模块端口上。
本次实验的硬件平台在“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验基础上搭建。首先需要对ZYNQ7处理系统进行修改，使能EMIO的两个引脚，用来连接摄像头的SCCB接口，配置如下：
image020.jpg
图 0.4 ZYNQ处理系统EMIO配置
接下来引出这个端口，并命名为“emio_sccb”，如下图所示：
image022.jpg
图 0.5 引出引脚
接下来修改VDMA IP核的配置，修改后的配置界面如下图所示：
image024.jpg
图 0.6 VDMA IP核Basic配置页面
Frame Buffers（帧缓存）个数配置为3，使能写通道（Enable Write Channel），写通道的参数和读通道保持一致。注意这里的Stream Data Width（Stream数据宽度）是软件自动设置的，其位宽由连接至其它IP核的Stream数据位宽而定。
在“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验中向大家详细介绍了VDMA的帧缓存机制和同步锁相模式。为了避免读通道和写通道同时访问同一帧缓存，本次实验将帧缓存空间设置为3，并采用动态同步锁相的模式。另外，读通道需要实时读取写通道写入的帧缓存，因此将写通道设置为Dynamic-Master，读通道设置为Dynamic-Slave。
VDMA的同步锁相模式配置如下：
image026.jpg
图 0.7 VDMA IP核同步锁相配置
接下来添加Video in toAXI4-Stream IP核，在IP核搜索框中输入“videoin”，选择“Video in to AXI4-Stream”IP核，如下图所示：
image028.jpg
图 0.8 添加Video in to AXI4-Stream IP核
Video in toAXI4-Stream IP核配置界面如下图所示：
image030.jpg
图 0.9 Video in to AXI4-Stream IP核配置
Clock Mode时钟模式用于指定AXI4-Stream输入和视频输出信号，使用公共时钟还是独立时钟进行时钟控制，此处我们使用独立时钟进行控制，即勾选Independent，其它选项保持默认即可。
接下来添加自定义的OV7725图像采集IP核，该IP核位于例程的ip_repo文件下，将该文件拷贝至工程目录下，并在工程中添加该IP核，添加的方法这里不再赘述。在IP核搜索框中输入“ov7725”，如下图所示：
image031.png
图 0.10 添加OV7725图像采集IP核
OV7725图像采集IP核无需设置，该IP核实现了OV7725的数据流转换成视频数据流格式，即转换成符合Video in to AXI-Stream IP核输入端的数据格式。视频数据流格式的时序图如下图所示：
image033.jpg
图 0.11 视频流格式时序图
vblank_out（output vertical blank）：垂直方向空白信号，为高电平时，表示当前处于垂直方向的无效数据区域；
vsync_out（output vertical synchronization）: 垂直方向同步信号，用于帧同步；
hblank_out（output horizontal blank）：水平方向空白信号，为高电平时，表示当前处于水平方向的无效数据区域；
hsync_out（output horizontal synchronization）：水平方向同步信号，用于行同步；
active_video_out：图像有效信号，高电平有效。
图 21.3.11是视频流的数据格式，除了这些信号外，还需要输出时钟（clk）、时钟使能（ce）和图像数据，我们只需要将摄像头输出的数据按照视频流的格式输出，即可连接至Video in to AXI-Stream IP核的输入端。由于摄像头只输出了cam_vsync和cam_href这两个用于控制数据是否有效的信号，为了简化设计，本次实验简化了视频数据流的接口，只输出了时钟信号、时钟有效信号、场同步信号、图像数据有效信号和图像数据。
OV7725图像采集IP核源代码如下：
  1.   module  ov7725_capture_data(

  3.       input                 rst_n           ,  //复位信号

  5.      

  7.       //摄像头接口

  9.       input                 cam_pclk        ,  //cam 数据像素时钟

  11.       input                 cam_vsync       ,  //cam 场同步信号

  13.       input                 cam_href        ,  //cam 行同步信号

  15.       input        [7:0]    cam_data        ,  //cam 数据      

  17.       output                cam_rst_n       ,  //cmos 复位信号，低电平有效

  19.       output                cam_sgm_ctrl    ,  //cmos 时钟选择信号, 1:使用摄像头自带的晶振                    

  21.      

  23.       //RGB888接口

  25.       output                cmos_frame_clk,    //时钟信号

  27.       output                cmos_frame_ce,     //时钟使能信号

  29.      

  31.       output                cmos_vsync,        //场同步信号   

  33.       output                cmos_active_video ,//数据有效信号

  35.       output       [23:0]   cmos_data          //有效数据   

  37.      

  39.   );



  43.   //paremeter define



  47.   //寄存器全部配置完成后，先等待10帧数据

  49.   //待寄存器配置生效后再开始采集图像

  51.   localparam  WAIT_FRAME = 4'd10  ;            //寄存器数据稳定等待的帧个数      



  55.   //reg define

  57.   reg          cam_vsync_d0 ;

  59.   reg          cam_vsync_d1 ;

  61.   reg          cam_href_d0 ;

  63.   reg          cam_href_d1 ;

  65.   reg   [3:0]  cmos_ps_cnt ;                   //等待帧数稳定计数器

  67.   reg          wait_done ;

  69.   reg          byte_flag ;

  71.   reg   [7:0]  cam_data_d0 ;            

  73.   reg  [15:0]  cmos_data_16b ;                 //用于8位转16位的临时寄存器

  75.   reg          byte_flag_d0 ;



  79.   //wire define

  81.   wire  pos_vsync ;



  85.   //*****************************************************

  87.   //**                    main code

  89.   //*****************************************************



  93.   //不对摄像头硬件复位,固定高电平

  95.   assign  cam_rst_n = 1'b1;   



  99.   //cmos 时钟选择信号,0:使用引脚XCLK提供的时钟 1:使用摄像头自带的晶振

  101.   assign  cam_sgm_ctrl = 1'b1;

  103.   assign  pos_vsync  = (~cam_vsync_d1) & cam_vsync_d0 ;   //采输入场同步信号的上升沿

  105.   assign  cmos_frame_clk   = cam_pclk;

  107.   assign  cmos_frame_ce    = wait_done  ?  (byte_flag_d0 & cmos_active_video)

  109.                              || (!cmos_active_video) : 1'b0;

  111.   assign  cmos_vsync = wait_done  ?  cam_vsync_d1  :  1'b0;          //输出帧有效信号

  113.   assign  cmos_active_video  = wait_done  ?  cam_href_d1   :  1'b0;  //输出数据有效信号

  115.   assign  cmos_data  = wait_done  ?

  117.       { cmos_data_16b[15:11],3'd0 , cmos_data_16b[10:5],2'd0 , cmos_data_16b[4:0],3'd0 }  

  119.       :  24'd0;                                                      //输出数据



  123.   always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin

  125.       if(!rst_n) begin

  127.           cam_vsync_d0 <= 1'b0;

  129.           cam_vsync_d1 <= 1'b0;

  131.          

  133.           cam_href_d0 <= 1'b0;

  135.           cam_href_d1 <= 1'b0;

  137.       end

  139.       else begin

  141.           cam_vsync_d0 <= cam_vsync;

  143.           cam_vsync_d1 <= cam_vsync_d0;

  145.          

  147.           cam_href_d0 <= cam_href;

  149.           cam_href_d1 <= cam_href_d0;

  151.       end

  153.   end



  157.   //寄存器全部配置完成后，先等待10帧数据

  159.   //待寄存器配置生效后再开始采集图像

  161.   always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin

  163.       if(!rst_n)

  165.           cmos_ps_cnt <= 4'd0;

  167.       else if(pos_vsync && (cmos_ps_cnt < WAIT_FRAME))

  169.           cmos_ps_cnt <= cmos_ps_cnt + 4'd1;

  171.   end



  175.   //等待完成后 给出 等待完成信号

  177.   always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin

  179.       if(!rst_n)

  181.           wait_done <= 1'b0;

  183.       else if((cmos_ps_cnt == WAIT_FRAME) && pos_vsync)

  185.           wait_done <= 1'b1;

  187.   end           



  191.   //8位数据转16位RGB565数据

  193.   always @(posedge cam_pclk  or negedge rst_n) begin

  195.       if(!rst_n) begin

  197.          cmos_data_16b <= 16'd0;

  199.          cam_data_d0 <= 8'd0;

  201.          byte_flag <= 1'b0;

  203.      end

  205.      else if( cam_href ) begin  //cam 行同步信号

  207.          byte_flag   <= ~byte_flag;

  209.          cam_data_d0 <= cam_data;

  211.          if(byte_flag)

  213.              cmos_data_16b <= {cam_data_d0,cam_data};

  215.      end

  217.      else begin

  219.          byte_flag <= 1'b0;

  221.          cam_data_d0 <= 8'b0;

  223.      end   

  225. 3 end      

  227. 4

  229. 5 //产生输出数据有效信号

  231. 6 always @(posedge cam_pclk or negedge rst_n) begin

  233. 7     if(!rst_n)

  235. 8         byte_flag_d0 <= 1'b0;

  237. 9     else

  239. 0         byte_flag_d0 <= byte_flag;   

  241. 1 end   

  243. 2

  245. 3 endmodule
复制代码
该模块实现了摄像头输出数据流到视频数据流的转换，在程序的第13行至第18行代码，为模块输出的视频流端口信号。
OV7725摄像头输出的数据格式为RGB565，而数据位宽是8位，因此需要将两次输入的8位数据拼接成一个RGB565的数据格式，如代码中第96至第123行代码所示。我们知道，RGBLCD液晶屏是RGB888的数据格式，因此程序中将RGB565格式的各颜色分量的低位补0，拼成RGB888的数据格式，如代码中第58行至第60行代码所示。
在程序的第53行代码至第60行代码，分别为输出的视频数据流格式赋值。这里着重介绍cmos_frame_ce（时钟使能信号）和cmos_active_video（图像数据有效信号）的赋值。cmos_active_video信号在行有效期间，一直为高电平，因此在wait_done为高后，将摄像头的行有效信号赋值给cmos_active_video。我们知道，实际上输出的24位RGB888数据在行有效期间并不是一直有效的，这个由cmos_frame_ce信号来控制，分为行有效和行无效两种情况，只有当cmos_frame_ce信号和cmos_active_video信号同时为高电平时，输出的图像数据才有效。
介绍完OV7725图像采集模块后，接下来对新添加IP核的端口进行手动连线，如下图所示：
image035.jpg
图 0.12手动连线
连线完成后点击框图界面上方的“RunConnection Automation”，下面列出了会自动连接的模块及其接口，勾选“AllAutomation”，然后点击“OK”按钮。
接下来将OV7725图像采集IP核的摄像头引脚引出至顶层模块端口，并重新命名，如图 21.3.13和图 21.3.14所示：
image037.jpg
图 0.13 引出摄像头引脚
image038.png
图 0.14 引出摄像头其余引脚
整体系统框图，如下图所示：
image040.jpg
图 0.15 整体系统框图
到这里我们的BlockDesign就设计完成了，在Diagram窗口空白处右击，然后选择“Validate Design”验证设计。验证完成后弹出对话框提示“ValidationSuccessful”表明设计无误，点击“OK”确认。最后按快捷键“Ctrl + S”保存设计。
接下来在Source窗口中右键点击Block Design设计文件“system.bd”，然后依次执行“Generate Output Products”和“Create HDLWrapper”。
为工程添加约束文件，约束文件如下：
#摄像头接口的时钟
  1. create_clock -period 40.000 -name cmos_pclk [get_ports cam_pclk]

  3. set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets cam_pclk_IBUF]



  7. #RGB LCD

  9. set_property -dict {PACKAGE_PIN Y18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[0]}]

  11. set_property -dict {PACKAGE_PIN Y19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[1]}]

  13. set_property -dict {PACKAGE_PIN W20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[2]}]

  15. set_property -dict {PACKAGE_PIN V20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[3]}]

  17. set_property -dict {PACKAGE_PIN U14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[4]}]

  19. set_property -dict {PACKAGE_PIN U15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[5]}]

  21. set_property -dict {PACKAGE_PIN T20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[6]}]

  23. set_property -dict {PACKAGE_PIN U20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[7]}]

  25. set_property -dict {PACKAGE_PIN W14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[8]}]

  27. set_property -dict {PACKAGE_PIN Y14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[9]}]

  29. set_property -dict {PACKAGE_PIN N15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[10]}]

  31. set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[11]}]

  33. set_property -dict {PACKAGE_PIN V16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[12]}]

  35. set_property -dict {PACKAGE_PIN W16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[13]}]

  37. set_property -dict {PACKAGE_PIN W18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[14]}]

  39. set_property -dict {PACKAGE_PIN W19 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[15]}]

  41. set_property -dict {PACKAGE_PIN T10 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[16]}]

  43. set_property -dict {PACKAGE_PIN T11 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[17]}]

  45. set_property -dict {PACKAGE_PIN P14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[18]}]

  47. set_property -dict {PACKAGE_PIN R14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[19]}]

  49. set_property -dict {PACKAGE_PIN V13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[20]}]

  51. set_property -dict {PACKAGE_PIN U13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[21]}]

  53. set_property -dict {PACKAGE_PIN G15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[22]}]

  55. set_property -dict {PACKAGE_PIN H15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports {lcd_rgb_tri_io[23]}]

  57. set_property -dict {PACKAGE_PIN U17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_hs]

  59. set_property -dict {PACKAGE_PIN P20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_vs]

  61. set_property -dict {PACKAGE_PIN N20 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_de]

  63. set_property -dict {PACKAGE_PIN Y16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_bl]

  65. set_property -dict {PACKAGE_PIN T16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports lcd_clk]



  69. #CAMERA

  71. set_property -dict {PACKAGE_PIN P15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_rst_n]

  73. set_property -dict {PACKAGE_PIN R17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_sgm_ctrl]

  75. set_property -dict {PACKAGE_PIN P16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[0]]

  77. set_property -dict {PACKAGE_PIN V15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[1]]

  79. set_property -dict {PACKAGE_PIN W15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[2]]

  81. set_property -dict {PACKAGE_PIN T12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[3]]

  83. set_property -dict {PACKAGE_PIN U12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[4]]

  85. set_property -dict {PACKAGE_PIN V12 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[5]]

  87. set_property -dict {PACKAGE_PIN W13 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[6]]

  89. set_property -dict {PACKAGE_PIN T14 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_data[7]]

  91. set_property -dict {PACKAGE_PIN T17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_href]

  93. set_property -dict {PACKAGE_PIN T15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_pclk]

  95. set_property -dict {PACKAGE_PIN R18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports cam_vsync]

  97. set_property -dict {PACKAGE_PIN P18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports emio_sccb_tri_io[0]]

  99. set_property -dict {PACKAGE_PIN N17 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports emio_sccb_tri_io[1]]
复制代码
在约束文件的开头部分，我们通过create_clock语句对摄像头的像素时钟（cam_pclk）做了时序约束，以满足设计的时序要求。时序约束（TimingConstraints）用来描述设计人员对时序的要求，比如时钟频率，输入输出的延时等。对时钟频率的约束最简单的理解就是，设计者需要告诉EDA工具设计中所使用的时钟的频率是多少；然后工具才能按照所要求的时钟频率去优化布局布线，使设计能够在要求的时钟频率下正常工作。本次实验cam_pclk的时钟频率为24MHz，周期约为41.6ns，在做约束时可以等于这个值或者略低于这个值，不建议周期设置的太小，否则软件在布局布线时很难满足这个要求。
当设计变得复杂起来，或者系统的时钟频率比较高的时候，如果不添加时序约束，那么就有可能在验证设计结果的时候出现一些意料之外的情况。那么为什么在前面的例程中很少提到呢？主要是因为我们的设计功能比较简单，像呼吸灯、蜂鸣器这样简单的外设，即使不进行时序约束，也不影响最终的功能。
本次实验除了对输入的像素时钟做时序约束外，我们还需要增加“set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE”语句来取消软件对时钟专用引脚的检查。这是由于Vivado软件检测到像素时钟（cam_pclk）是一个时钟端口，而分配到芯片上的引脚并不是一个时钟专用引脚，因此增加这一语句可取消软件对cam_pclk时钟专用引脚的检查，否则软件会在综合时会报错。
在约束文件的最后，通过“set_propertyPULLUP true”语句设置SCCB接口的SDA信号引脚上拉。这是由于这个信号是一个双向引脚，双向引脚需要连接上拉电阻才能在引脚作为输入时，读取到正确的值。由于OV7725摄像头在硬件上没有接上拉电阻，因此这里在Vivado软件中设置SCCB接口的SDA引脚上拉。
SCCB接口的SCL信号只作为输出，因此可不必设置上拉。本次实验将EMIO引脚的Bit[0]作为SCCB接口的SCL信号，Bit[1]作为SCCB接口的SDA信号，因此将emio_sccb_tri_io[1]设置为上拉。
设置引脚上拉的方式除了在约束文件里设置外，也可以在引脚分配的图像界面中设置，如下图所示：
image042.jpg
图 0.16 SCCB SDA信号引脚上拉
最后在左侧FlowNavigator导航栏中找到PROGRAM AND DEBUG，点击该选项中的“Generate Bitstream”，对设计进行综合、实现、并生成Bitstream文件。
在生成Bitstream之后，在菜单栏中选择 File > Export > Export hardware导出硬件，并在弹出的对话框中，勾选“Include bitstream”。然后在菜单栏选择File > LaunchSDK，启动SDK软件。
软件设计
在软件设计部分中，和“PS通过VDMA驱动LCD显示”实验相比，源文件下新增了emio_sccb_cfg和ov7725文件，分别实现了对SCCB接口的驱动和读OV7725初始化配置的功能，大家可以直接从例程中拷贝。
main函数的代码如下所示：
  1. #include <stdio.h>

  3. #include <stdlib.h>

  5. #include <string.h>

  7. #include "xil_types.h"

  9. #include "xil_cache.h"

  11. #include "xparameters.h"

  13. #include "xgpio.h"

  15. #include "xaxivdma.h"

  17. #include "xaxivdma_i.h"

  19. #include "display_ctrl/display_ctrl.h"

  21. #include "ov7725/ov7725_init.h"

  23. #include "vdma_api/vdma_api.h"

  25. #include "emio_sccb_cfg/emio_sccb_cfg.h"



  29. //宏定义

  31. #define FRAME_BUFFER_NUM   3                          //帧缓存个数

  33. #define DYNCLK_BASEADDR    XPAR_AXI_DYNCLK_0_BASEADDR //动态时钟基地址

  35. #define VDMA_ID            XPAR_AXIVDMA_0_DEVICE_ID   //VDMA器件ID

  37. #define DISP_VTC_ID        XPAR_VTC_0_DEVICE_ID       //VTC器件ID

  39. #define AXI_GPIO_0_ID      XPAR_AXI_GPIO_0_DEVICE_ID  //PL端  AXI GPIO 0(lcd_id)器件ID

  41. #define AXI_GPIO_0_CHANEL  1                          //使用AXI GPIO(lcd_id)通道1



  45. //全局变量

  47. XAxiVdma     vdma;

  49. DisplayCtrl  dispCtrl;

  51. XGpio        axi_gpio_inst;   //PL端 AXI GPIO 驱动实例

  53. VideoMode    vd_mode;

  55. //frame buffer的起始地址

  57. unsigned int const frame_buffer_addr = (XPAR_PS7_DDR_0_S_AXI_BASEADDR + 0x1000000);

  59. unsigned int lcd_id=0;        //LCD ID



  63. int main(void)

  65. {

  67.      int status = 0;

  69.      emio_init();             //初始化EMIO

  71.   status = ov7725_init();  //初始化ov7725

  73.   if(status == 0)

  75.       xil_printf("OV7725 detected successful!\r\n");

  77.   else

  79.       xil_printf("OV7725 detected failed!\r\n");



  83.   //获取LCD的ID

  85.   XGpio_Initialize(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_ID);

  87.   lcd_id = LTDC_PanelID_Read(&axi_gpio_inst,AXI_GPIO_0_CHANEL);

  89.   xil_printf("LCD ID: %x\r\n",lcd_id);



  93.   //根据获取的LCD的ID号来进行video参数的选择

  95.   switch(lcd_id){

  97.       case 0x4342 : vd_mode = VMODE_480x272; break;  //4.3寸屏,480*272分辨率

  99.       case 0x4384 : vd_mode = VMODE_800x480; break;  //4.3寸屏,800*480分辨率

  101.       case 0x7084 : vd_mode = VMODE_800x480; break;  //7寸屏,800*480分辨率

  103.       case 0x7016 : vd_mode = VMODE_1024x600; break; //7寸屏,1024*600分辨率

  105.       case 0x1018 : vd_mode = VMODE_1280x800; break; //10.1寸屏,1280*800分辨率

  107.       default : vd_mode = VMODE_800x480; break;

  109.   }



  113.   //配置VDMA

  115.   run_vdma_frame_buffer(&vdma, VDMA_ID, vd_mode.width, vd_mode.height,

  117.                           frame_buffer_addr,0,0,BOTH);

  119.   //因摄像头和RGB LCD屏的分辨率不匹配,清空DDR3帧缓存空间

  121.   //最后一个参数表示清零的字节数，由于RGB888数据格式占用3个字节,因此最后乘以3

  123.   memset(frame_buffer_addr,0,vd_mode.height*vd_mode.width*FRAME_BUFFER_NUM*3);

  125.   Xil_DCacheFlush();

  127.   //初始化Display controller

  129.   DisplayInitialize(&dispCtrl, DISP_VTC_ID, DYNCLK_BASEADDR);

  131.   //设置VideoMode

  133.   DisplaySetMode(&dispCtrl, &vd_mode);

  135.   DisplayStart(&dispCtrl);

  137.   return 0;

  139. }
复制代码
在main函数中，首先通过emio_init()函数对emio引脚进行初始化，配置SCCB接口的两个引脚。然后通过ov7725_init()函数对OV7725进行初始化，即通过SCCB接口对摄像头进行配置，让OV7725在工作在预期的工作模式下，包括OV7725的输出格式、分辨率、像素PCLK时钟频率等。ov7725_init()函数的返回值为是否检测到OV7725的标志，程序中将检测的结果打印出来，如代码中第35行至第40行代码所示。
随后同样是先获取LCD屏的ID，以兼容所有的屏幕。需要说明的是，OV7725摄像头输出最大的分辨率为640*480，而LCD屏有各种不同的分辨率，因此在较高分辨率上显示时，LCD屏的部分区域会显示图像数据未写入的缓存区域。
在程序的第58行至第59行代码中，通过调用run_vdma_frame_buffer()函数配置VDMA。本次实验同时用到了VDMA的读通道和写通道，因此函数的最后一个参数设置为BOTH，表示同时配置读通道和写通道。
在程序的第62行至第63行代码中，通过调用memset()函数清空帧缓存中的数据。这是由于OV7725摄像头输出的图像分辨率和LCD屏的分辨率不一致，帧缓存中未写入图像数据的区域默认是随机值，因此通过memset()函数将帧缓存空间清零，否则，未写入的帧缓存区域在LCD屏上将显示比较杂乱的背景色。
在程序的第64行至第68行代码中，通过DisplayInitialize()函数对显示相关的IP核进行初始化，包括VTC和动态时钟配置；DisplaySetMode函数设置VTC输出的分辨率；最后通过DisplayStart()函数启动VTC开始工作。
ov7725_init()函数位于ov7725/ov775_init.c文件内，该函数部分代码如下：
  1. //OV7725初始化

  3. u8 ov7725_init(void)

  5. {

  7.      u16 cam_id = 0;

  9.      //读OV7725摄像头ID

  11.      cam_id = sccb_read_reg8(0x0B);

  13.      cam_id |= sccb_read_reg8(0x0A) << 8;

  15.    

  17.      if(cam_id != 0x7721)  //获取到正确的OV7725 ID

  19.          return 1;

  21.      else{

  23.          sccb_write_reg8(0x12,0x80);    // BIT[7]-Reset all the Reg

  25.          usleep(1000);



  29.          sccb_write_reg8 (0x3d, 0x03) ; //COM12 模拟过程直流补偿

  31.          sccb_write_reg8 (0x15, 0x00) ; //COM10 href/vsync/pclk/data信号控制

  33. 代码较长，省略部分源代码……

  35.          sccb_write_reg8 (0x0e,0x65) ; //COM5

  37.          sccb_write_reg8 (0x09,0x00) ; //COM2  Bit[1:0] 输出电流驱动能力      

  39.          return 0;

  41.      }   

  43. }
复制代码
该函数读取寄存器地址0x0B和0x0A来获取OV7725摄像头的ID，注意OV7725摄像头的ID为“0X7721”。如果获取的ID不等于0x7721，则返回1；否则开始对OV7725摄像头进行配置，配置的方法参考OV公司提供了OV7725的软件使用手册，直至配置完成后返回0。
下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将USB UART接口与电脑连接，用于串口通信。使用FPC排线一端与RGB LCD液晶屏上的接口连接，另一端连接领航者底板上的RGB TFT-LCD接口。接下来将OV7725摄像头模块插在领航者Zynq开发板的“OLED/CAMERA”插座上，注意在连接时，摄像头镜头方向朝外，如图 21.5.1所示。最后连接开发板的电源，并打开电源开关。
image044.jpg
图 0.1 摄像头镜头方向朝外
在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后下载本次实验硬件设计过程中所生成的BIT文件，来对PL进行配置。最后下载软件程序，下载完成后，在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息，如下图所示：
image046.jpg
图 0.2 串口打印的信息
同时，RGB LCD液晶屏上显示出OV7725摄像头采集的图像，说明本次OV7725摄像头RGB LCD屏显示的实验在领航者ZYQN开发板上验证成功。需要注意的是，由于OV7725最大输出的分辨率是640*480，本次实验连接的RGB LCD液晶屏的分辨率为800*480，因此液晶屏的右侧填充了黑色区域。如图 21.5.3所示。
image048.jpg
图 0.3 RGB LCD屏显示图像数据
实验的最后再补充一点，我们在动态同步锁相模式下，设置不同的帧数量做了测试。当帧缓存的数量小于等于2，在摄像头前快速移动时，会出现比较明显的卡顿（即前面说的割裂）现象；当帧缓存的数据大于等于3时，可以解决这一问题，且设置的值超过3时，也观察不到显示效果的提升，和前面分析的一致。



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好好好！！
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