基于FPGA的MIPICSI-2接口高清攝像頭圖像采集系統設計和優勢

摘要：闡述一種基于FPGA的MIPI CSI-2接口高清攝像頭圖像采集系統設計，該設計用FPGA實現當前應用廣泛的MIPI高清 CCD采集，并提供LCD屏、USB兩路輸出，數據傳輸穩定可靠，把MIPI接口攝像頭應用到更廣泛的其他電路系統中，加快系統開發，節省成本。

?引言

CSI（CameraSerialInte rf ace)是由MIPI（MobileIndustryProcessorInterface）聯盟下Camera工作組制定的接口標準，是MIPI聯盟發起的為移動應用處理器制定的開放標準，MIPI聯盟由ARM、諾基亞、意法半導體和德州儀器發起成立，作為移動行業領導者的合作組織，MIPI聯盟旨在確定并推動移動應用處理器接口的開放性標準。CSI接口具有接口少、抗EMI強、速度快、功耗低等優點。CSI-2是MIPICSI第二版，CSI-2由應用層、協議層、物理層組成，最大支持4通道數據傳輸，單線傳輸速度高達1Gb/s[1-2]。

系統使用的圖像傳感器是OV5640，該CCD分辨率高達5M像素，提供兩通道MIPI數據傳輸[3]。系統使用的FPGA為xilinx的Spartan-6，型號為XC6SLX45，該系列的FPGA擁有業界領先的系統集成能力，同時為成本敏感型應用帶來了低風險、低成本和低功耗的最佳平衡[4-5]。

本文闡述如何在FPGA上進行MIPICSI-2接口設計，實現高清攝像頭數據采集、顯示、接口轉換，把MIPI接口攝像頭應用到更廣泛的其他電路系統中，加快系統開發，節省成本。

1系統設計原理

MIPICSI-2圖像采集系統如圖1所示，整個系統由CCD圖像傳感器、FPGA、DDR、FLASH存儲器組成。CPU使用SOPC，CCD驅動模塊、USB驅動模塊、LCD驅動模塊、DDR管理模塊等在FPGA內部設計。

CCD圖像傳感器經光電轉換，把采集到的圖像經MIPI接口傳到FPGA，FPGA解碼后把圖像存儲在DDR，后分兩路輸出，一路送到LCD顯示屏實時顯示，另一路轉換成USB接口輸出。

圖1 MIPICSI-2圖像采集系統框圖

2 軟硬件設計

2.1硬件設計
MIPI接口有低功耗和高速兩種工作模式，低功耗模式下的電平為0～1.2V，可直接接到FPGA的I/O口，只需把接口電平配置成LVCOMS1.2V，高速模式下的電平標準是SLVS，其共模電壓為200mV，擺幅為200mVp-p，高速模式下的接口連接需要做一些處理。目前市場上的FPGA還沒有SLVS電壓標準的接口，幸運的是Spartan-6帶有LVDS電平接口。由圖2可以看出，做為接收端，FPGA的LVDS接口終端電阻使用外部電阻，其共模電壓最低可以達到100mv，而SLVS高速模式下的共模電壓在200mv左右，在LVDS的允許范圍內，可用于MIPI接收，其IO口連接按圖3所示的接法設計，解決FPGA與MIPICSI-2物理層（D-PHY）電平匹配問題。

OV5640為兩通道MIPI數據口，加上時鐘信號，FPGA端用3對LVDS、6個1.2V電平普通IO、2個用于I2C控制普通IO。

DDR選用的為16位MT46H64M16LFBF，其接口控制模塊使用Spartan-6自帶的MCB硬核設計，MCB可使DDR達到較高速安全運行，并且MCB自帶溫漂補償功能，環境適應能力較強。

數據輸出部分使用的是標準接口，LCD顯示屏接口使用的是24位標準RGB接口，由于FPGA內嵌的USB2.0內核價格昂貴，USB傳輸系統使用了Cypress 公司的CY7C68013芯片。

圖2 SLVStoLVDSSignalLevels