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03uifdma_vbuf实现单通道摄像头采集(AXI4 FDMA数据缓存篇)

摘要: 通过前文中实验的学习，相信读者已经掌握了fdma读写bram或者ddr的基本使用，本文使用米联客编写的uivbuf ip 配合uifdma ip 实现摄像头图像的多缓存方法。本文实验目的： 1:熟悉ov5640摄像头硬件资源 2:掌 ...

软件版本：vitis2019.2(vivado2019.2)

操作系统：WIN10 64bit

硬件平台：适用XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU系列FPGA

3.1概述

通过前文中实验的学习，相信读者已经掌握了fdma读写bram或者ddr的基本使用，本文使用米联客编写的uivbuf ip 配合uifdma ip 实现摄像头图像的多缓存方法。

本文实验目的：

1:熟悉ov5640摄像头硬件资源

2:掌握通过米联客iic控制器实现对ov5640寄存器的配置，实现分辨率的修改。

3:掌握uivbuf程序设计方法

4:掌握图像处理中最常用的三缓存设计，如何实现3帧图形缓存，确保图形不撕裂

3.2OV5640摄像头简介

说到OV5640 OV7725等入门级摄像头大部分读者应该并不陌生，这些摄像头基础成为教学实验开发板必配摄像头。如下图所示，为我们米联客提供的OV5640摄像头,采用的是DVP接口。通过普通的连接器接入到开发板的的FPGA IO实现数据采集。

OV5640是一款靶面大小为1/4英寸的图像光学传感器芯片。最高支持2592*1944@15fps QSXVGA格式图像采集，或者640*480@90fps VGA图像采集。芯片内部集成了图像处理的功能，包括自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（AWB）等功能。

OV5640的数据输出格式支持MIPI（移动产业处理器接口）、DVP（数字视频并行）我们米联客暂时只有DVP接口的OV5640摄像头，受限于硬件接口速度，目前最高可以实现720p@30fps,对于部分转接卡只能实现720p@15fps的采集速度，能够满足大部分实验性质的图像数据采集要求。

3.2.1OV5640的框图

我们通过框图可以看到OV5640摄像头大概的功能结构包括：

1:PLL模块，输入的XCLK时钟经过PLL后提供给芯片的内部逻辑工作

2:时序产生以及系统控制逻辑模块(timing generator and system control logic)

3:图像传感器核心单元(image sensor core)包含：感光阵列(image array)、放大器(AMP)、放大器增益控制(gain contro)、ADC模块(10-bit ADC) 、50HZ/60HZ干扰自动检测单元

4:图像处理单元包含(image sensor processor)：ISP图像处理单元、数据压缩单元、格式转换单元

5:图像输出接口(image out interface)包含：数据FIFO、DVP接口、MIPI接口

6:寄存器配置接口(SCCB interface)

7:微控制器(micro controller)

3.2.2摄像头参数概述

厂家	OmniVision
色彩	彩色
曝光模式	卷帘
靶面尺寸	1/4``
相机ID	0x78
支持的分辨率	最大分辨率支持25921944@15。受限于硬件设计我们的摄像头最大支持1280@30或者1280*720@15，满足一般实验要求绰绰有余。
镜头	M12 4MM 500W
视场角	约70°
感光特性	可见光(红外弱)
接口	DVP
ISP	内置ISP算法
尺寸	30mm30mm35mm

3.2.3摄像头接口定义

米联客CEP(Camera expansion interface)接口定义如下：

标准DVP OV5640摄像头定义如下：

读者可以发现，相比标准的DVP接口，米联客的CEP接口烧了RESET、CMOS_CTL0、CMOS_CTL1、CMOS_CTL2这几个信号脚。

另外细心的读者可以发现米联客的CEP扩展接口预先以差分形式走线，具体差分信号传输能力。

信号功能如下：

信号名称	功能描述	输入/输出
D3V3	3.3V输入接口给摄像头芯片供电	电源
GND	数据、模拟GND	电源
SCLK	I2C时钟/SCCB协议时钟	input
SDAT	I2C数据/SCCB协议数据	inout
VSYNC	帧同步信号	output
HREF	行同步信号	output
PCLK	像素时钟,对于RGB565一个像素需要2个时钟	output
XCLK	FPGA输入给摄像头的参考时钟一般是24MHZ	input
D2~D9	对应d0~d8,8bit有效数据	output

3.2.4分辨率

OV5640使用寄存器0x3800 ~ 0x3814进行图像窗口调整。上图中说明了那些寄存器如何定义窗口大小。对于物理像素大小是固定的，由传感器中所有像素阵列的大小决定。ISP输入大小是从像素阵列读取的像素数据总量。一般情况下，ISP的输入量越大，所能达到的最大帧速率越小。数据输出大小为OV5640的图像输出大小。这个大小从ISP输入大小中窗口化，由x_offset和y_offset定义。

下表我们给出以上寄存器的功能定义说明：

address

default value

R/W

description

0x3800

TIMING HS

0x00

Bit[3:0]有效，对应X_ADDR_ST[11:8]bits

0x3801

TIMING HS

0x00