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编程问答

总：基于FPGA的OV7670摄像头显示

發(fā)布時間：2023/12/29 编程问答 26 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了总：基于FPGA的OV7670摄像头显示小編覺得挺不錯的,現(xiàn)在分享給大家,幫大家做個參考.

前言：

一、整體系統(tǒng)設(shè)計

二、各部分模塊設(shè)計

1、時鐘模塊

2、OV7670初始化模塊

3、DVP協(xié)議數(shù)據(jù)流模塊

4、寫FIFO模塊

5、讀FIFO模塊

6、寫FIFO控制模塊

7、讀FIFO控制模塊

8、SDRAM控制模塊

9、VGA控制模塊

10、頂層模塊

三、仿真測試

四、上板驗(yàn)證

五、總結(jié)

工程文件下載鏈接：https://download.csdn.net/download/qq_33231534/13010542

前言：

這個專題的博客中寫的都是關(guān)于OV7670攝像頭顯示所需要的模塊，并對每個模塊進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后再對每個模塊進(jìn)行整合，本篇就是對整個攝像頭系統(tǒng)進(jìn)行整合和匯總。在過程中遇到很多問題，應(yīng)該也會是很多人會遇到的問題，涉及到調(diào)試和代碼的問題，在下邊也會加以講解。

一、整體系統(tǒng)設(shè)計

如下系統(tǒng)框圖：

圖：整體系統(tǒng)框圖

?如圖所示，FPGA中主要模塊包含：時鐘模塊、OV7670初始化模塊、DVP協(xié)議數(shù)據(jù)流模塊、寫FIFO模塊、寫FIFO控制模塊、SDRAM控制模塊、讀FIFO模塊、讀FIFO控制模塊、VGA控制模塊。

其中OV7670初始化模塊、DVP協(xié)議數(shù)據(jù)流模塊和VGA控制模塊都在本專題博客中寫過，這里不再贅述。寫FIFO和讀FIFO模塊使用的IP核，都是寬度16位，長度256，其中讀FIFO使用的是showahead模式。SDRAM控制器漆面的博客也寫過，這邊做了一些改動，添加了一些需要的信號。

其整體流程為：啟動時先對攝像頭進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化完成后，FPGA從攝像頭獲取一幀一幀的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊將ov7670數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成我們需要的RGB565數(shù)據(jù)流，隨后存入寫FIFO模塊；（寫控制模塊）當(dāng)寫FIFO模塊中存儲的數(shù)據(jù)大于等于8時，發(fā)出SDRAM寫請求，SDRAM寫請求通過后，讀取FIFO數(shù)據(jù)存儲起來；（讀FIFO模塊）當(dāng)讀FIFO數(shù)據(jù)小于等于8時，讀取SDRAM中的數(shù)據(jù)經(jīng)過讀FIFO緩存后送入VGA顯示模塊進(jìn)行顯示。同時寫控制模塊和讀控制模塊控制SDRAM讀寫地址的增加。

二、各部分模塊設(shè)計

1、時鐘模塊

這里使用PLL的IP核，以50MHz時鐘生成25MHz和100MHz時鐘，其中攝像頭初始化模塊和VGA控制模塊使用的是25MHz，SDRAM控制模塊、寫FIFO控制模塊和讀FIFO控制模塊使用的是100MHz，寫FIFO和讀FIFO模塊都是異步FIFO，使用25MHz和100MHz時鐘。

2、OV7670初始化模塊

前面博客講的很詳細(xì)，也沒有改動，這里不再贅述。

3、DVP協(xié)議數(shù)據(jù)流模塊

前面博客講的很詳細(xì)，也沒有改動，這里不再贅述。

4、寫FIFO模塊

這里使用的IP核，數(shù)據(jù)寬度為16，長度為256，普通模式。

5、讀FIFO模塊

這里使用的IP核，數(shù)據(jù)寬度為16，長度為256，showahead模式。showahead模式是為了在讀出FIFO數(shù)據(jù)時先出一個數(shù)據(jù)，和VGA顯示的數(shù)據(jù)有效信號好對齊。

6、寫FIFO控制模塊

主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：

（1）當(dāng)寫FIFO中數(shù)據(jù)大于等于8時，向SDRAM控制器發(fā)出寫請求信號

（2）發(fā)送SDRASM控制器寫地址（行地址和列地址），當(dāng)SDRAM控制器寫完數(shù)據(jù)后，寫地址進(jìn)行相應(yīng)變化。

代碼如下：

7、讀FIFO控制模塊

主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：

（1）當(dāng)讀FIFO中數(shù)據(jù)小于等于8時，向SDRAM控制器發(fā)出讀請求信號

（2）發(fā)送SDRASM控制器讀地址（行地址和列地址），當(dāng)SDRAM控制器讀完數(shù)據(jù)后，讀地址進(jìn)行相應(yīng)變化。

代碼如下：

8、SDRAM控制模塊

前面有個專題專門講的SDRAM控制器原理和實(shí)現(xiàn)方法，這里在原來的代碼上，根據(jù)現(xiàn)在系統(tǒng)的需求，進(jìn)行了略微的修改，主要功能沒有修改，只是增加幾個外部需要的信號，讀優(yōu)先級還是大于寫優(yōu)先級（寫大于讀也可以）。

這里給出代碼：

// Company : // Engineer : // ----------------------------------------------------------------------------- // https://blog.csdn.net/qq_33231534 PHF's CSDN blog // ----------------------------------------------------------------------------- // Create Date : 2020-09-18 14:20:22 // Revise Data : 2020-10-20 15:30:16 // File Name : SDRAM_control.v // Target Devices : XC7Z015-CLG485-2 // Tool Versions : Vivado 2019.2 // Revision : V1.1 // Editor : sublime text3, tab size (4) // Description : SDRAM控制器，支持讀寫沖突長度為8，cas為3module SDRAM_control(input clk ,//100MHZinput rst_n ,//復(fù)位input wr_en ,//寫使能信號input [15:0] wr_data ,//寫數(shù)據(jù)input rd_en ,//讀使能信號input [1:0] bank_addr ,//bank地址input [11:0] row_addr ,//行地址input [8:0] col_addr ,//列地址output reg fifo_rdreq ,//寫FIFO讀請求信號output reg [15:0] rd_data ,//讀出的數(shù)據(jù)output reg rd_data_vld ,//讀出數(shù)據(jù)有效位output wire wr_data_vld ,//寫入數(shù)據(jù)有效位output wire wdata_done ,//寫數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志output wire rdata_done ,//讀數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志output wire sdram_clk ,//SDRAM時鐘信號output reg [3:0] sdram_commond ,//{cs,ras,cas,we}output wire sdram_cke ,//時鐘使能信號output reg [1:0] sdram_dqm ,//數(shù)據(jù)線屏蔽信號output reg [11:0] sdram_addr ,//SDRAM地址線output reg [1:0] sdram_bank ,//SDRAM bank選取inout wire[15:0] sdram_dq , //SDRAM數(shù)據(jù)輸出輸入總線output wire state_wr_req , //新增，用于讀寫地址判斷output wire state_rd_req //新增，用于讀寫地址判斷);//延時localparam TWAIT_200us = 15'd20000 ;//上電等待時間localparam TRP = 2'd3 ;//預(yù)充電周期localparam TRC = 4'd10 ;//自刷新周期localparam TRSC = 2'd3 ;//加載模式寄存器周期localparam TRCD = 2'd2 ;//激活命令周期localparam TREAD_11 = 4'd11 ;//burst=8,cas=3localparam TWRITE_8 = 4'd8 ;//burst=8localparam AUTO_REF_TIME= 11'd1562 ;//狀態(tài)localparam NOP = 3'd0 ;localparam PRECHARGE = 3'd1 ;localparam REF = 3'd2 ;localparam MODE = 3'd3 ;localparam IDLE = 3'd4 ;localparam ACTIVE = 3'd5 ;localparam WRITE = 3'd6 ;localparam READ = 3'd7 ;//操作命令localparam NOP_CMD = 4'b0111 ;localparam PRECHARGE_CMD= 4'b0010 ;localparam REF_CMD = 4'b0001 ;localparam MODE_CMD = 4'b0000 ;localparam ACTIVE_CMD = 4'b0011 ;localparam WRITE_CMD = 4'b0100 ;localparam READ_CMD = 4'b0101 ;//初始化階段地址線localparam ALL_BANK = 12'b01_0_00_000_0_000;//預(yù)充電地址線localparam MODE_CONFIG = 12'b00_0_00_011_0_011;//配置模式寄存器時地址線wire nop_to_pre_start ;wire pre_to_ref_start ;wire pre_to_idle_start ;wire ref_to_mode_start ;wire ref_to_idle_start ;wire ref_to_ref_start ;wire mode_to_idle_start ;wire idle_to_active_start ;wire idle_to_ref_start ;wire active_to_write_start ;wire active_to_read_start ;wire write_to_pre_start ;wire read_to_pre_start ;reg [2:0] state_c ;reg [2:0] state_n ;wire sdram_dq_en ;wire[15:0] sdram_dq_r ;reg rd_data_vld_ff0 ;reg rd_data_vld_ff1 ;reg rd_data_vld_ff2 ;reg rd_data_vld_ff3 ;reg [10:0] auto_ref_cnt ;wire add_auto_ref_cnt;wire end_auto_ref_cnt;reg ref_req ;wire init_done ;reg init_flag ;reg [14:0] cnt0 ;wire add_cnt0 ;wire end_cnt0 ;reg [14:0] x ;reg [3:0] ref_cnt1 ;wire add_cnt1 ;wire end_cnt1 ;reg flag_rd ; reg flag_wr ; reg fifo_rdreq_f ;reg [2:0] fifo_rdreq_cnt;assign state_wr_req = state_c==IDLE; assign state_rd_req = state_c==IDLE;assign sdram_clk = ~clk;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif (!rst_n) beginstate_c <= NOP; endelse beginstate_c <= state_n;endendalways @(*)begincase(state_c)NOP :beginif (nop_to_pre_start) beginstate_n = PRECHARGE;endelse beginstate_n = state_c;endendPRECHARGE:beginif (pre_to_ref_start) beginstate_n = REF;endelse if (pre_to_idle_start) beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n = state_c;endendREF:beginif (ref_to_mode_start) beginstate_n = MODE;endelse if (ref_to_idle_start) beginstate_n = IDLE;endelse if (ref_to_ref_start) beginstate_n = REF;endelse beginstate_n = state_c;endendMODE:beginif (mode_to_idle_start) beginstate_n = IDLE;endelse beginstate_n =state_c;endendIDLE:beginif (idle_to_active_start) beginstate_n = ACTIVE;endelse if (idle_to_ref_start) beginstate_n = REF;endelse beginstate_n = state_c;endendACTIVE:beginif (active_to_write_start) beginstate_n = WRITE;endelse if (active_to_read_start) beginstate_n = READ;endelse beginstate_n = state_c;endendWRITE:beginif(write_to_pre_start)beginstate_n = PRECHARGE;endelse beginstate_n = state_c;endendREAD:beginif (read_to_pre_start) beginstate_n = PRECHARGE;endelse beginstate_n = state_c;endenddefault:state_n = IDLE;endcaseendassign nop_to_pre_start = (state_c==NOP && end_cnt0);assign pre_to_ref_start = (state_c==PRECHARGE && end_cnt0 && init_flag==1);assign pre_to_idle_start = (state_c==PRECHARGE && end_cnt0 && init_flag==0);assign ref_to_mode_start = (state_c==REF && init_flag==1 && end_cnt1);assign ref_to_idle_start = (state_c==REF && init_flag==0 && end_cnt0);assign ref_to_ref_start = (state_c==REF && init_flag==1 && end_cnt0 && ref_cnt1<7);assign mode_to_idle_start = (state_c==MODE && init_flag==1 && end_cnt0);assign idle_to_active_start = (state_c==IDLE && (wr_en || rd_en) && ref_req==0);assign idle_to_ref_start = (state_c==IDLE && ref_req==1);assign active_to_write_start = (state_c==ACTIVE && end_cnt0 && flag_wr);assign active_to_read_start = (state_c==ACTIVE && end_cnt0 && flag_rd);assign write_to_pre_start = (state_c==WRITE && end_cnt0);assign read_to_pre_start = (state_c==READ && end_cnt0);//命令控制字 sdram_commond = {CS,RAS,CAS,WE};always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginsdram_commond <= NOP_CMD;endelse if (nop_to_pre_start || write_to_pre_start || read_to_pre_start) beginsdram_commond <= PRECHARGE_CMD;endelse if (pre_to_ref_start || ref_to_ref_start || idle_to_ref_start) beginsdram_commond <= REF_CMD;endelse if (ref_to_mode_start) beginsdram_commond <= MODE_CMD;endelse if (idle_to_active_start) beginsdram_commond <= ACTIVE_CMD;endelse if (active_to_write_start) beginsdram_commond <= WRITE_CMD;endelse if (active_to_read_start) beginsdram_commond <= READ_CMD;endelse beginsdram_commond <= NOP_CMD;endend//cke信號保持拉高assign sdram_cke = 1;//dqm信號always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsdram_dqm <= 2'b11;endelse if(init_done)beginsdram_dqm <= 2'b00;endend//地址線always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsdram_addr <= 12'b0;endelse if(nop_to_pre_start || write_to_pre_start || read_to_pre_start)beginsdram_addr <= ALL_BANK; endelse if(ref_to_mode_start)beginsdram_addr <= MODE_CONFIG; endelse if(idle_to_active_start)beginsdram_addr <= row_addr; endelse if (active_to_read_start || active_to_write_start) beginsdram_addr <= {3'b000,col_addr};endelse beginsdram_addr <= 12'b0; endend//sdram_bankalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginsdram_bank <= 2'b00;endelse if (idle_to_active_start || active_to_write_start || active_to_read_start) beginsdram_bank <= bank_addr;endelse beginsdram_bank <= 2'b00;endend//sdram_dqassign sdram_dq_en = (state_c==WRITE) ? 1'b1 : 1'b0;assign sdram_dq = sdram_dq_en ? sdram_dq_r : 16'hzzzz;assign sdram_dq_r = wr_data;assign wr_data_vld = state_c==WRITE;assign wdata_done = write_to_pre_start;assign rdata_done = read_to_pre_start;always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginrd_data <= 16'd0;endelse beginrd_data <= sdram_dq;endend// assign rd_data = state_c==READ ? sdram_dq:16'hzzzz;//讀有效標(biāo)志always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginrd_data_vld_ff0 <= 0;endelse if (active_to_read_start) beginrd_data_vld_ff0 <= 1;endelse if (state_c==READ && cnt0==TREAD_11-4) beginrd_data_vld_ff0 <= 0;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginrd_data_vld_ff1 <= 0;rd_data_vld_ff2 <= 0;rd_data_vld_ff3 <= 0;rd_data_vld <= 0;endelse beginrd_data_vld_ff1 <= rd_data_vld_ff0;rd_data_vld_ff2 <= rd_data_vld_ff1;rd_data_vld_ff3 <= rd_data_vld_ff2;rd_data_vld <= rd_data_vld_ff3;endend//刷新請求計數(shù)always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginauto_ref_cnt <= 0;endelse if (add_auto_ref_cnt) beginif (end_auto_ref_cnt) beginauto_ref_cnt <= 0;endelse beginauto_ref_cnt <= auto_ref_cnt + 1'b1;endendendassign add_auto_ref_cnt = init_flag==0;assign end_auto_ref_cnt = (add_auto_ref_cnt && auto_ref_cnt==AUTO_REF_TIME-1);//ref_req 刷新請求always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginref_req <= 0;endelse if (end_auto_ref_cnt) beginref_req <= 1;endelse if (state_c==IDLE && ref_req==1) beginref_req <= 0;endend//初始化標(biāo)志assign init_done = (state_c==MODE && end_cnt0);always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) begininit_flag <= 1;endelse if (init_done) begininit_flag <= 0;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) begincnt0 <= 0;endelse if (add_cnt0) beginif (end_cnt0) begincnt0 <= 0;endelse begincnt0 <= cnt0 + 1'b1;endendendassign add_cnt0 = state_c!=IDLE;assign end_cnt0 = add_cnt0 && cnt0==x-1'b1;always @(*)begincase(state_c)NOP : x = TWAIT_200us;PRECHARGE : x = TRP;REF : x = TRC;MODE : x = TRSC;ACTIVE : x = TRCD;WRITE : x = TWRITE_8;READ : x = TREAD_11;default : x = 0;endcaseend//初始化自刷新8個周期計數(shù)always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginref_cnt1 <= 0;endelse if (add_cnt1) beginif (end_cnt1) beginref_cnt1 <= 0;endelse beginref_cnt1 <= ref_cnt1 + 1'b1;endendendassign add_cnt1 = (state_c==REF && init_flag==1 && end_cnt0);assign end_cnt1 = (add_cnt1 && ref_cnt1== 8-1);//讀寫信號標(biāo)志always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginflag_rd <= 0;endelse if (state_c==IDLE && rd_en && ref_req==0) beginflag_rd <= 1;endelse if (pre_to_idle_start && flag_rd==1) beginflag_rd <= 0;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginflag_wr <= 0;endelse if (state_c==IDLE && wr_en && rd_en==0 && ref_req==0) begin //讀優(yōu)先級高于寫優(yōu)先級flag_wr <= 1;endelse if (pre_to_idle_start && flag_wr==1) beginflag_wr <= 0;endend//寫FIFO讀請求信號always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginfifo_rdreq_f <= 0;endelse if (state_c==IDLE && wr_en && rd_en==0 && ref_req==0) beginfifo_rdreq_f <= 1;endelse if (fifo_rdreq_cnt>=7) beginfifo_rdreq_f <= 0;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginfifo_rdreq_cnt <= 0;endelse if (fifo_rdreq_f) beginif (fifo_rdreq_cnt >= 7) beginfifo_rdreq_cnt <= 0;endelse beginfifo_rdreq_cnt <= fifo_rdreq_cnt + 1'b1;endendend//延遲一拍，時序?qū)Ralways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif (!rst_n) beginfifo_rdreq <= 0;endelse beginfifo_rdreq <= fifo_rdreq_f;endendendmodule

9、VGA控制模塊

本專題博客講的很詳細(xì)，也沒有改動，這里不再贅述。

10、頂層模塊

三、仿真測試

仿真的時候沒有加入攝像頭數(shù)據(jù)流部分，從寫FIFO開始，數(shù)據(jù)自己設(shè)置寫入寫FIFO，經(jīng)過SDRAM存儲，這里用SDRAM的仿真模型模擬SDRAM，然后讀出數(shù)據(jù)到讀FIFO中，再從讀FIFO中讀出數(shù)據(jù)。

測試模型的頂層代碼為：

測試代碼為：發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)

`timescale 1ns/1nsmodule SDRAM_control_test_tb (); /* this is automatically generated */reg rst_n;reg clk_100M;reg clk_25M;// (*NOTE*) replace reset, clock, othersreg [15:0] data_rgb565;reg data_rgb565_vld;reg ov7670_vsync;wire [15:0] q;SDRAM_control_test inst_SDRAM_control_test(.clk_25M (clk_25M),.clk_100M (clk_100M),.rst_n (rst_n),.data_rgb565 (data_rgb565),.data_rgb565_vld (data_rgb565_vld),.ov7670_vsync (ov7670_vsync),.q (q));initial clk_25M = 1; always #20 clk_25M = ~clk_25M; initial clk_100M = 1; always #5 clk_100M = ~clk_100M;initial begin#1;rst_n = 0;data_rgb565 = 0;data_rgb565_vld = 0;ov7670_vsync = 0;#200;rst_n = 1;#200;@(posedge inst_SDRAM_control_test.inst_SDRAM_control.mode_to_idle_start)#2000;data_rgb565_vld = 1;repeat(600)beginrepeat(512)begin#40;data_rgb565 = data_rgb565 + 1;endenddata_rgb565_vld = 0;#20000;data_rgb565_vld = 1;repeat(600)beginrepeat(512)begin#40;data_rgb565 = data_rgb565 + 1;endend#200;$stop;endendmodule

仿真后可觀察modelsim控制臺信息，觀察SDRAM數(shù)據(jù)讀寫的記錄，從中觀察是否有錯誤。如圖：

這里容易出錯的地方是SDRAM讀寫地址，仿真中容易在讀數(shù)據(jù)時用的是寫數(shù)據(jù)的行地址，如圖：

SDRAM讀寫地址代碼如下，這里高了挺久，很容易出錯，對時序要求挺高，只能用組合電路實(shí)現(xiàn)。

四、上板驗(yàn)證

剛開始寫好代碼上板圖：

調(diào)好焦距以后（很大部分?jǐn)?shù)據(jù)錯亂）：

一次修改后上板圖（少部分?jǐn)?shù)據(jù)錯亂）：

最終圖（無數(shù)據(jù)丟失錯亂）：

五、總結(jié)

這個代碼寫好挺久了，但有問題。兩三個星期，然后因?yàn)楦鞣N事情耽擱了，就一直沒有修改，找問題。一開始出的圖數(shù)據(jù)丟失錯亂嚴(yán)重，通過quartus軟件的sjgnal tap logic analyzer工具抓取數(shù)據(jù)分析，由于抓取數(shù)據(jù)有限，根本看不出來哪里的問題，因此后邊做了挺久也沒找到問題在哪。自己分析應(yīng)該是SDRAM控制器寫的有問題，于是就對SDRAM控制器進(jìn)行了仿真測試，當(dāng)然測試情況要多一些，然后還是發(fā)現(xiàn)沒什么問題。然后昨天寫了個測試代碼，就是上邊給出來的，仿真測試的時候，在modelsim控制臺輸出信息有sdram讀取數(shù)據(jù)的信息，就發(fā)現(xiàn)讀數(shù)據(jù)時行地址有時候會用上一次讀數(shù)據(jù)的行地址，這個問題從這里就找出來了，通過定位發(fā)現(xiàn)，在頂層模塊中，對SDRAM讀寫地址部分代碼寫的有問題，對時序要求較高，才出現(xiàn)問題，這里對這個問題不做細(xì)講，第一次修改后明顯圖像好了很多，還是有數(shù)據(jù)錯亂丟失，其實(shí)還是這里沒寫好，經(jīng)過修改后就沒有這些問題了。

在代碼出現(xiàn)問題的時候千萬不要嫌麻煩，多動手多測試，問題總會解決的。

工程文件下載鏈接：https://download.csdn.net/download/qq_33231534/13010542

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的总：基于FPGA的OV7670摄像头显示的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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