【每周FPGA案例】OV7670摄像头显示编号：002600000065

明德扬吴老师 · 发表于 2020-11-5 01:06:59

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第1节 OV7670摄像头显示

--作者：小黑同学

本案例的编号为：002600000065，如果有疑问，请按编号在下面贴子查找答案：MDY案例交流【汇总贴】_FPGA-明德扬科教 (mdy-edu.com)

本文为明德扬原创及录用文章，转载请注明出处！

1.1 总体设计1.1.1 概述

OV7670是一种图像传感器，图像传感器，体积小，工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以输入整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。OmmiVision图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。

1.1.2 设计目标

本工程使用ov7670摄像头、SDRAM、VGA显示器、按键等，实现摄像头显示的功能，具体要求如下：

1、通过SCCB接口对摄像头中的寄存器进行配置。

2、通过按键/矩阵键盘控制是否对摄像头进行配置。

3、对摄像头输出的图像数据进行采集之后，通过SDRAM进行缓存

4、通过VGA显示器显示摄像头采集到的图像。

1.1.3 系统结构框图

系统结构框图如下图一所示：

图一

1.1.4模块功能
按键检测模块实现功能

1、将外来异步信号打两拍处理，将异步信号同步化。

2、实现20ms按键消抖功能。

3、实现矩阵键盘或者普通案件的检测功能，并输出有效按键信号。

锁相环PLL_1

1、将摄像头输出的像素时钟转化为同频同相的25M时钟。

锁相环PLL_2

1、产生摄像头需要的25M时钟xlclk。

2、产生SDRAM工作需要的100M时钟。

配置模块模块实现功能

1、根据按键信息，将配置表中的寄存器信息读出。

2、根据SCCB接口模块的指示，将配置信息输出到SCCB模块。

SCCB接口模块实现功能

1、根据上游模块的读写使能命令、地址以及数据，产生对应的SCCB时序，从而将数据写入摄像头指定的寄存器中，或者从指定的摄像头寄存器中读取数据。

图像采集模块实现功能

1、根据摄像头输出格式，对像素数据进行接收。

2、对摄像头输出数据进行串并转换。

存储控制模块实现功能

1、通过乒乓操作的方法，控制SDRAM的读写以及Bank地址，以保证图像数据连续显示到显示器上。

SDRAM接口模块实现功能

1、接收上游模块发送的读/写请求、Bank地址、行地址和写数据，产生SDRAM的控制时序。

VGA接口模块实现功能

1、产生VGA时序，在有效显示区域，将图像数据送入显示器进行显示。

1.1.5顶层信号

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	系统工作时钟 50M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
Key_in	I	4	4位按键信号，开发板按键为矩阵键盘时，不需要该信号
Key_col	I	4	4位矩阵键盘列信号，默认高电平，开发板按键为普通按键时，不需要该信号
Key_row	O	4	4位矩阵键盘行信号，默认低电平，开发板按键为普通按键时，不需要该信号
dq	I/O	16	SDRAM数据总线，既能作为数据输出，也能作为数据输入。
cke	O	1	SDRAM时钟使能信号，决定是否启用clk输入，为高电平时，时钟有效。
cs	O	1	SDRAM片选信号，决定设备内是否启用命令输入，当cs为低时启用，当cs为高时禁用命令输入。
ras	O	1	行地址选通信号，低电平有效
cas	O	1	列地址选通信号，低电平有效
we	O	1	写使能信号，低电平有效
dqm	O	2	数据掩码，控制I/O的高低字节，低电平有效。例如：2’b10，表示数据高字节无效，低字节有效。
sd_addr	O	13	SDRAM地址信号。
sd_bank	O	2	Bank地址选择信号，通过该信号决定哪个Bank正处于激活、读、写、预充电等命令期间。
sd_clk	O	1	SDRAM输入时钟，除cke外，SDRAM的所有输入与该引脚的上升沿同步获得。
Pclk	I	1	摄像头输出像素时钟
vsync	I	1	图像场同步信号
href	I	1	图像行同步信号
din	I	8	摄像头输出的数据
Xclk	O	1	摄像头驱动时钟，25M
Pwdn	O	1	摄像头待机状态指示信号，该信号为1表示，摄像头处于待机状态，不工作，该信号为0，摄像头处于唤醒状态。
Sio_c	O	1	SCCB时钟
Sio_d	I/O	1	SCCB数据线，既能作为输入也能作为输出
Vga_hys	O	1	VGA行同步信号
Vga_vys	O	1	VGA场同步信号
Vga_rgb	O	16	VGA图像数据

1.1.6参考代码

下面是使用工程的顶层代码：

module mdyOV7670CameraDisplay_top(
clk ,
rst_n ,
key_in ,
pclk ,
vsync ,
href ,
din ,
xclk ,
pwdn ,
sio_c ,
sio_d ,
vga_hys ,
vga_vys ,
vga_rgb ,
cke ,
cs ,
ras ,
cas ,
we ,
dqm ,
sd_addr ,
sd_bank ,
sd_clk ,
dq
);
input clk ;
input rst_n ;
input pclk ;
input [3:0] key_in ;
input vsync ;
input href ;
input [7:0] din ;
output xclk ;
output pwdn ;
output vga_hys ;
output vga_vys ;
output [15:0] vga_rgb ;
output sio_c ;
output cs ;
output ras ;
output cas ;
output we ;
output [1 :0] dqm ;
output [12:0] sd_addr ;
output [1 :0] sd_bank ;
output sd_clk ;
output cke ;
inout [15:0] dq ;
inout sio_d ;
wire [15:0] dq_in ;
wire [15:0] dq_out ;
wire dq_out_en ;
wire en_sio_d_w ;
wire sio_d_w ;
wire sio_d_r ;
wire xclk_ ;
wire clk_100m ;
wire locked ;
wire [3:0] key_num ;
wire en_coms ;
wire [7:0] value_gray ;
wire rdy ;
wire wen ;
wire ren ;
wire [7:0] wdata ;
wire capture_en ;
wire [7:0] rdata ;
wire rdata_vld ;
wire [15:0] cmos_dout ;
wire cmos_dout_vld ;
wire cmos_dout_sop ;
wire cmos_dout_eop ;
wire [15:0] rd_addr ;
wire rd_en ;
wire [15:0] vga_data ;
wire rd_end ;
wire wr_end ;
wire rd_addr_sel ;
wire [3:0] key_vld ;
wire display_area ;
wire [7:0] sub_addr ;
wire cke ;
wire cs ;
wire ras ;
wire cas ;
wire we ;
wire [1 :0] dqm ;
wire [12:0] sd_addr ;
wire [1 :0] sd_bank ;
wire sd_clk ;
wire [15:0] sd_rdata ;
wire sd_rdata_vld ;
wire [15:0] fifo2sd_wdata ;
wire wr_ack ;
wire rd_ack ;
wire wr_req ;
wire rd_req ;
wire [1 :0] bank ;
wire [12:0] addr ;
assign dq_in = dq;
assign dq = dq_out_en?dq_out:16'hzzzz;
assign sio_d = en_sio_d_w ? sio_d_w : 1'dz;
assign sio_d_r = sio_d;
pll_sd pll_sd_inst2 (
.inclk0 (clk ),
.c0 (xclk ),
.c1 (clk_100m )
);
cmos_pll u_cmos_pll(
.inclk0 (pclk ),
.c0 (clk_25M )
);
key_module#(.KEY_W(4)) u_key_module(
.clk (xclk ),
.rst_n (rst_n ),
.key_in (key_in ),
.key_vld (key_vld )
);
ov7670_config u4(
.clk (xclk ),
.rst_n (rst_n ),
.config_en (key_vld[1] ),
.rdy (rdy ),
.rdata (rdata ),
.rdata_vld (rdata_vld ),
.wdata (wdata ),
.addr (sub_addr ),
.wr_en (wen ),
.rd_en (ren ),
.cmos_en (en_capture ),
.pwdn (pwdn )
);
sccb u5(
.clk (xclk ),
.rst_n (rst_n ),
.ren (ren ),
.wen (wen ),
.sub_addr (sub_addr ),
.rdata (rdata ),
.rdata_vld (rdata_vld ),
.wdata (wdata ),
.rdy (rdy ),
.sio_c (sio_c ),
.sio_d_r (sio_d_r ),
.en_sio_d_w (en_sio_d_w ),
.sio_d_w (sio_d_w )
);
cmos_capture u6(
.clk (clk_25M ),
.rst_n (rst_n ),
.en_capture (en_capture ),
.vsync (vsync ),
.href (href ),
.din (din ),
.dout (cmos_dout ),
.dout_vld (cmos_dout_vld),
.dout_sop (cmos_dout_sop),
.dout_eop (cmos_dout_eop)
);
vga_config u11(
.clk (clk_25M ),
.clk_in (clk_100m ),
.rst_n (rst_n ),
.din (cmos_dout ),
.din_vld (cmos_dout_vld),
.din_sop (cmos_dout_sop),
.din_eop (cmos_dout_eop),
.dout (vga_data ),
.wr_req (wr_req ),
.rd_req (rd_req ),
.wr_ack (wr_ack ),
.rd_ack (rd_ack ),
.wdata (fifo2sd_wdata),
.sd_rdata (sd_rdata ),
.sd_rdata_vld (sd_rdata_vld ),
.display_area (display_area ),
.bank (bank ),
.addr (addr )
);
sdram_intf u20 (
.clk (clk_100m ),
.rst_n (rst_n ),
.wr_req (wr_req ),
.rd_req (rd_req ),
.dq_in (dq_in ),
.dq_out (dq_out ),
.dq_out_en (dq_out_en ),
.wr_ack (wr_ack ),
.rd_ack (rd_ack ),
.rdata (sd_rdata ),
.rdata_vld (sd_rdata_vld ),
.cke (cke ),
.cs (cs ),
.ras (ras ),
.cas (cas ),
.we (we ),
.dqm (dqm ),
.sd_addr (sd_addr ),
.sd_bank (sd_bank ),
.sd_clk (sd_clk ),
.wdata (fifo2sd_wdata),
.bank (bank ),
.addr (addr )
);
vga_driver u12(
.clk (clk_25M ),
.rst_n (rst_n ),
.din (vga_data ),
.vga_hys (vga_hys ),
.vga_vys (vga_vys ),
.vga_rgb (vga_rgb ),
.display_area(display_area )
);
endmodule

复制代码

1.2 按键检测模块设计1.2.1接口信号

下面为使用矩阵键盘时的接口信号：

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
key_col	输入	矩阵键盘列输入信号
Key_row	输出	矩阵键盘行输出信号
Key_en	输出	按键按下位置指示信号

下面是使用普通按键时的接口信号：

信号	接口方向	定义
clk	输入	系统时钟
rst_n	输入	低电平复位信号
Key_in	输入	按键输入信号
Key_vld	输出	按键按下指示信号

1.2.2 设计思路

在前面的案例中已经有按键检测的介绍，所以这里不在过多介绍，详细介绍请看下方链接：

【每周FPGA案例】至简设计系列_按键控制数字时钟

1.2.3 参考代码

1. //矩阵键盘

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_ff0 <= 4'b1111;
key_col_ff1 <= 4'b1111;
end
else begin
key_col_ff0 <= key_col ;
key_col_ff1 <= key_col_ff0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
shake_cnt <= 0;
end
else if(add_shake_cnt) begin
if(end_shake_cnt)
shake_cnt <= 0;
else
shake_cnt <= shake_cnt+1 ;
end
end
assign add_shake_cnt = key_col_ff1!=4'hf;
assign end_shake_cnt = add_shake_cnt && shake_cnt == TIME_20MS-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
state_c <= CHK_COL;
end
else begin
state_c <= state_n;
end
end
always @(*)begin
case(state_c)
CHK_COL: begin
if(col2row_start )begin
state_n = CHK_ROW;
end
else begin
state_n = CHK_COL;
end
end
CHK_ROW: begin
if(row2del_start)begin
state_n = DELAY;
end
else begin
state_n = CHK_ROW;
end
end
DELAY : begin
if(del2wait_start)begin
state_n = WAIT_END;
end
else begin
state_n = DELAY;
end
end
WAIT_END: begin
if(wait2col_start)begin
state_n = CHK_COL;
end
else begin
state_n = WAIT_END;
end
end
default: state_n = CHK_COL;
endcase
end
assign col2row_start = state_c==CHK_COL && end_shake_cnt;
assign row2del_start = state_c==CHK_ROW && row_index==3 && end_row_cnt;
assign del2wait_start= state_c==DELAY && end_row_cnt;
assign wait2col_start= state_c==WAIT_END && key_col_ff1==4'hf;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_row <= 4'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW)begin
key_row <= ~(1'b1 << row_index);
end
else begin
key_row <= 4'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_index <= 0;
end
else if(add_row_index) begin
if(end_row_index)
row_index <= 0;
else
row_index <= row_index+1 ;
end
else if(state_c!=CHK_ROW)begin
row_index <= 0;
end
end
assign add_row_index = state_c==CHK_ROW && end_row_cnt;
assign end_row_index = add_row_index && row_index == 4-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_cnt <= 0;
end
else if(add_row_cnt) begin
if(end_row_cnt)
row_cnt <= 0;
else
row_cnt <= row_cnt+1 ;
end
end
assign add_row_cnt = state_c==CHK_ROW || state_c==DELAY;
assign end_row_cnt = add_row_cnt && row_cnt == 16-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_get <= 0;
end
else if(state_c==CHK_COL && end_shake_cnt ) begin
if(key_col_ff1==4'b1110)
key_col_get <= 0;
else if(key_col_ff1==4'b1101)
key_col_get <= 1;
else if(key_col_ff1==4'b1011)
key_col_get <= 2;
else
key_col_get <= 3;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_out <= 0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt)begin
key_out <= {row_index,key_col_get};
end
else begin
key_out <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_vld <= 1'b0;
end
else if(state_c==CHK_ROW && end_row_cnt && key_col_ff1[key_col_get]==1'b0)begin
key_vld <= 1'b1;
end
else begin
key_vld <= 1'b0;
end
end
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_en = 0;
end
else if(key_vld && key_out==0)begin
key_en = 4'b0001;
end
else if(key_vld && key_out==1)begin
key_en = 4'b0010;
end
else if(key_vld && key_out==2)begin
key_en = 4'b0100;
end
else begin
key_en = 0;
end
end
endmodule

复制代码

1.3 锁相环1.3.1 接口信号

PLL_1：pll_sd

信号名	I/O	位宽	定义
Inclk0	I	1	输入时钟50M
C0	O	1	输出时钟25M
C1	O	1	输出时钟100M

PLL_2：cmos_pll

信号名	I/O	位宽	定义
Inclk0	I	1	输入时钟25M
C0	O	1	输出时钟25M

1.3.2 设计思路

此模块是使用Quartus生成的PLL IP核，相关的生成步骤、功能原理等可以看明德扬论坛中关于PLL的介绍。

IP核设计（PLL）

1.3.3 时钟网络

本工程共有5个时钟，硬件上的晶振提供的50M时钟。由于摄像头的驱动时钟为25M，因此需要由锁相环产生一个25M的时钟xclk，摄像头输出图像数据的同时，会输出一个像素时钟pclk，该时钟是和图像数据对齐的，由于摄像头属于外设，是临时插在开发板上的，因此，插得不牢、晃动、碰撞等，都有可能造成摄像头输出的时钟pclk的不稳定，因此这里将此时钟经过锁相环，产生一个同频同相的稳定时钟clk_25M，作为之后图像处理模块的工作时钟。而SDRAM的工作时钟是100M，因此需要通过锁相环产生100M的时钟。通过架构图中模块的颜色来进行判别，按键检测模块、配置模块和SCCB模块都是采用的xclk；图像采集模块、存储控制模块和VGA接口模块都是采用的clk_25M；SDRAM接口模块的工作时钟为100M。

1.4 配置模块设计
1.4.1接口信号

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	工作时钟 100M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
Config_en	I	1	开始配置指示脉冲
rdy	I	1	下游模块准备好指示信号
rdata	I	8	从摄像头中读取的数据
rdata_vld	I	1	读取数据有效指示信号
Wdata	O	8	将要写到摄像头中的数据
Wr_en	O	2	写使能
Addr	O	8	摄像头寄存器地址信号
rd_en	O	1	读使能
Cmos_en	O	1	配置完成指示信号
Pwdn	O	1	摄像头待机状态指示信号

1.4.2配置表

需要配置的寄存器信息都在配置表文件中保存，通过寄存器计数器reg_cnt进行读取，18bit位宽的信号add_wdata为保存配置信息的信号，其中add_wdata[17]表示读属性，当其为1时，表示该寄存器可读；daa_wdata[16]表示写属性，当其为1时，表示该寄存器可写；add_wdata[17:8]表示寄存器地址；add_wdata[7:0]表示要往寄存器中写入的值。

寄存器地址表示的寄存器以及数据每一位代表的意思，可以参考ov7670_中文版数据手册

OV7670摄像头模块资料及参考学习资料

举例说明：add_wdata={2’b11,16’h1e31}，其中2’b11表示该寄存器可读可写，寄存器地址为8’h1e，查数据手册可知，寄存器名为MVFP，表示水平镜像/竖直翻转使能。数据的位[7:8]作为保留位，没有作用；位[5]表示水平镜像使能，0为正常，1为镜像；位[4]表示竖直翻转使能，0为正常，1为翻转；位[3]保留；位[2]表示消除黑太阳使能；位[1：0]保留。写数据为8’h31，表示开启水平镜像和竖直翻转。

注意，该文件不可综合，不要添加到编译软件中综合，否则会报错，只需要将此文件放到工程目录下即可。

1.4.3参考代码

parameter REG_NUM = 164;
always@(*) begin
case(reg_cnt)
0 : add_wdata = {2'b11,16'h1204};
1 : add_wdata = {2'b11,16'h40d0};
2 : add_wdata = {2'b11,16'h3a04};
3 : add_wdata = {2'b11,16'h3dc8};
4 : add_wdata = {2'b11,16'h1e31};
5 : add_wdata = {2'b11,16'h6b00};
6 : add_wdata = {2'b11,16'h32b6};
7 : add_wdata = {2'b11,16'h1713};
8 : add_wdata = {2'b11,16'h1801};
9 : add_wdata = {2'b11,16'h1902};
10 : add_wdata = {2'b11,16'h1a7a};
11 : add_wdata = {2'b11,16'h030a};
12 : add_wdata = {2'b11,16'h0c00};
13 : add_wdata = {2'b11,16'h3e10};
14 : add_wdata = {2'b11,16'h7000};
15 : add_wdata = {2'b11,16'h7100};
16 : add_wdata = {2'b11,16'h7211};
17 : add_wdata = {2'b11,16'h7300};
18 : add_wdata = {2'b11,16'ha202};
19 : add_wdata = {2'b11,16'h1180};
20 : add_wdata = {2'b11,16'h7a20};
21 : add_wdata = {2'b11,16'h7b1c};
22 : add_wdata = {2'b11,16'h7c28};
23 : add_wdata = {2'b11,16'h7d3c};
24 : add_wdata = {2'b11,16'h7e55};
25 : add_wdata = {2'b11,16'h7f68};
26 : add_wdata = {2'b11,16'h8076};
27 : add_wdata = {2'b11,16'h8180};
28 : add_wdata = {2'b11,16'h8288};
29 : add_wdata = {2'b11,16'h838f};
30 : add_wdata = {2'b11,16'h8496};
31 : add_wdata = {2'b11,16'h85a3};
32 : add_wdata = {2'b11,16'h86af};
33 : add_wdata = {2'b11,16'h87c4};
34 : add_wdata = {2'b11,16'h88d7};
35 : add_wdata = {2'b11,16'h89e8};
36 : add_wdata = {2'b11,16'h13e0};
37 : add_wdata = {2'b11,16'h0010};
38 : add_wdata = {2'b11,16'h1000};
39 : add_wdata = {2'b11,16'h0d00};
40 : add_wdata = {2'b11,16'h1428};
41 : add_wdata = {2'b11,16'ha505};
42 : add_wdata = {2'b11,16'hab07};
43 : add_wdata = {2'b11,16'h2475};
44 : add_wdata = {2'b11,16'h2563};
45 : add_wdata = {2'b11,16'h26a5};
46 : add_wdata = {2'b11,16'h9f78};
47 : add_wdata = {2'b11,16'ha068};
48 : add_wdata = {2'b11,16'ha103};
49 : add_wdata = {2'b11,16'ha6df};
50 : add_wdata = {2'b11,16'ha7df};
51 : add_wdata = {2'b11,16'ha8f0};
52 : add_wdata = {2'b11,16'ha990};
53 : add_wdata = {2'b11,16'haa94};
54 : add_wdata = {2'b11,16'h13ef};
55 : add_wdata = {2'b11,16'h0e61};
56 : add_wdata = {2'b11,16'h0f4b};
57 : add_wdata = {2'b11,16'h1602};
58 : add_wdata = {2'b11,16'h2102};
59 : add_wdata = {2'b11,16'h2291};
60 : add_wdata = {2'b11,16'h2907};
61 : add_wdata = {2'b11,16'h330b};
62 : add_wdata = {2'b11,16'h350b};
63 : add_wdata = {2'b11,16'h371d};
64 : add_wdata = {2'b11,16'h3871};
65 : add_wdata = {2'b11,16'h392a};
66 : add_wdata = {2'b11,16'h3c78};
67 : add_wdata = {2'b11,16'h4d40};
68 : add_wdata = {2'b11,16'h4e20};
69 : add_wdata = {2'b11,16'h6900};
70 : add_wdata = {2'b11,16'h7419};
71 : add_wdata = {2'b11,16'h8d4f};
72 : add_wdata = {2'b11,16'h8e00};
73 : add_wdata = {2'b11,16'h8f00};
74 : add_wdata = {2'b11,16'h9000};
75 : add_wdata = {2'b11,16'h9100};
76 : add_wdata = {2'b11,16'h9200};
77 : add_wdata = {2'b11,16'h9600};
78 : add_wdata = {2'b11,16'h9a80};
79 : add_wdata = {2'b11,16'hb084};
80 : add_wdata = {2'b11,16'hb10c};
81 : add_wdata = {2'b11,16'hb20e};
82 : add_wdata = {2'b11,16'hb382};
83 : add_wdata = {2'b11,16'hb80a};
84 : add_wdata = {2'b11,16'h4314};
85 : add_wdata = {2'b11,16'h44f0};
86 : add_wdata = {2'b11,16'h4534};
87 : add_wdata = {2'b11,16'h4658};
88 : add_wdata = {2'b11,16'h4728};
89 : add_wdata = {2'b11,16'h483a};
90 : add_wdata = {2'b11,16'h5988};
91 : add_wdata = {2'b11,16'h5a88};
92 : add_wdata = {2'b11,16'h5b44};
93 : add_wdata = {2'b11,16'h5c67};
94 : add_wdata = {2'b11,16'h5d49};
95 : add_wdata = {2'b11,16'h5e0e};
96 : add_wdata = {2'b11,16'h6404};
97 : add_wdata = {2'b11,16'h6520};
98 : add_wdata = {2'b11,16'h6605};
99 : add_wdata = {2'b11,16'h9404};
100 : add_wdata = {2'b11,16'h9508};
101 : add_wdata = {2'b11,16'h6c0a};
102 : add_wdata = {2'b11,16'h6d55};
103 : add_wdata = {2'b11,16'h6e11};
104 : add_wdata = {2'b11,16'h6f9f};
105 : add_wdata = {2'b11,16'h6a40};
106 : add_wdata = {2'b11,16'h0140};
107 : add_wdata = {2'b11,16'h0240};
108 : add_wdata = {2'b11,16'h13e7};
109 : add_wdata = {2'b11,16'h1500};
110 : add_wdata = {2'b11,16'h4f80};
111 : add_wdata = {2'b11,16'h5080};
112 : add_wdata = {2'b11,16'h5100};
113 : add_wdata = {2'b11,16'h5222};
114 : add_wdata = {2'b11,16'h535e};
115 : add_wdata = {2'b11,16'h5480};
116 : add_wdata = {2'b11,16'h589e};
117 : add_wdata = {2'b11,16'h4108};
118 : add_wdata = {2'b11,16'h3f00};
119 : add_wdata = {2'b11,16'h7505};
120 : add_wdata = {2'b11,16'h76e1};
121 : add_wdata = {2'b11,16'h4c00};
122 : add_wdata = {2'b11,16'h7701};
123 : add_wdata = {2'b11,16'h4b09};
124 : add_wdata = {2'b11,16'hc9F0};
125 : add_wdata = {2'b11,16'h4138};
126 : add_wdata = {2'b11,16'h5640};
127 : add_wdata = {2'b11,16'h3411};
128 : add_wdata = {2'b11,16'h3b02};
129 : add_wdata = {2'b11,16'ha489};
130 : add_wdata = {2'b11,16'h9600};
131 : add_wdata = {2'b11,16'h9730};
132 : add_wdata = {2'b11,16'h9820};
133 : add_wdata = {2'b11,16'h9930};
134 : add_wdata = {2'b11,16'h9a84};
135 : add_wdata = {2'b11,16'h9b29};
136 : add_wdata = {2'b11,16'h9c03};
137 : add_wdata = {2'b11,16'h9d4c};
138 : add_wdata = {2'b11,16'h9e3f};
139 : add_wdata = {2'b11,16'h7804};
140 :add_wdata = {2'b11,16'h7901};
141 :add_wdata = {2'b11,16'hc8f0};
142 :add_wdata = {2'b11,16'h790f};
143 :add_wdata = {2'b11,16'hc800};
144 :add_wdata = {2'b11,16'h7910};
145 :add_wdata = {2'b11,16'hc87e};
146 :add_wdata = {2'b11,16'h790a};
147 :add_wdata = {2'b11,16'hc880};
148 :add_wdata = {2'b11,16'h790b};
149 :add_wdata = {2'b11,16'hc801};
150 :add_wdata = {2'b11,16'h790c};
151 :add_wdata = {2'b11,16'hc80f};
152 :add_wdata = {2'b11,16'h790d};
153 :add_wdata = {2'b11,16'hc820};
154 :add_wdata = {2'b11,16'h7909};
155 :add_wdata = {2'b11,16'hc880};
156 :add_wdata = {2'b11,16'h7902};
157 :add_wdata = {2'b11,16'hc8c0};
158 :add_wdata = {2'b11,16'h7903};
159 :add_wdata = {2'b11,16'hc840};
160 :add_wdata = {2'b11,16'h7905};
161 :add_wdata = {2'b11,16'hc830};
162 :add_wdata = {2'b11,16'h7926};
163 : add_wdata = {2'b11,16'h0903};
164 : add_wdata = {2'b11,16'h3b42};
default : add_wdata = 0;
endcase
end

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1.4.4配置模块设计思路

该模块主要功能是将配置表中的数据读出，并对读出的数据进行解析，识别读写属性，根据读写属性，产生读写使能；识别寄存器地址和写数据，并将其分离。

由于配置表文件不可综合，因此无法通过例化获取，可以通过以下语句进行调用：

该模块产生的读使能、写使能、寄存器地址和写数据，都会送给下游SCCB接口模块，而SCCB接口属于单总线接口。不能同时读写，因此，该模块在对配置表进行读取的时候，需要读取两次，先进行写，然后在进行读，该操作由计数器控制，如下图所示：

读写计数器rw_cnt：该计数器表示读写阶段，数第一个表示处于写数据阶段，数第二个表示处于读数据阶段。加一条件为（flag && rdy），表示按下配置开始按键，并且下游模块准备好的时候就加一；结束条件为数两个，只需要区分读阶段和写阶段，因此数两个即可，数完就清零。

待配置的寄存器共有164个，因此需要一个寄存器计数器来对它进行计数，如下图所示:

寄存器计数器reg_cnt：该计数器主要对需要配置的寄存器个数进行计数。加一条件问end_rw_cnt，由于一个寄存器需要读写两个阶段，所以为读写计数器的结束条件；结束条件为数164个，需要配置的寄存器共164个，数完就清零。

下面介绍一下该模块的其他信号设计思路：

配置指示信号flag：该信号初始状态为0，表示还没有开始配置；当接收到开始配置使能信号config_en的时候，变为1，表示开始进入配置状态；当配置完成之后，也就是寄存器计数器数完了，便退出配置状态，因此该信号从高变低的条件为end_reg_cnt。

配置完成指示信号cmos_en：当该信号为高电平时，表示摄像头的寄存器已经经过最少一次配置了。初始状态为0，表示没有配置过；变1的条件为end_reg_cnt，也就是寄存器全部配置完一次之后，便置为高电平。

寄存器写数据wdata：初始状态为0，之后，直接取从配置表读出的add_wdata的低8位。

寄存器地址addr：初始状态位0，之后，直接取add_wdata的第8到第15位即可。

写使能wr_en：一个寄存器需要读和写两个阶段，先进行写，然后在读，add_wdata的第16位表示写属性。所以该信号从0变1的条件为(add_rw_cnt && rw_cnt==0 && add_wdata[16])。

读使能rd_en：写之后，在进行读，add_wdata的第17位指示读属性，因此读使能拉高的条件位(add_rw_cnt && rw_cnt==1 && add_wdata[17])。

1.4.5参考代码

assign pwdn = 0;
`include "ov7670_para.v"
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
reg_cnt <= 0;
end
else if(add_reg_cnt)begin
if(end_reg_cnt)
reg_cnt <= 0;
else
reg_cnt <= reg_cnt + 1;
end
end
assign add_reg_cnt = end_rw_cnt;
assign end_reg_cnt = add_reg_cnt && reg_cnt==REG_NUM-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rw_cnt <= 0;
end
else if(add_rw_cnt) begin
if(end_rw_cnt)
rw_cnt <= 0;
else
rw_cnt <= rw_cnt + 1;
end
end
assign add_rw_cnt = flag && rdy;
assign end_rw_cnt = add_rw_cnt && rw_cnt==RW_NUM-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag <= 1'b0;
end
else if(config_en)begin
flag <= 1'b1;
end
else if(end_reg_cnt)begin
flag <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
cmos_en <= 1'b0;
end
else if(end_reg_cnt)begin
cmos_en <= 1'b1;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
wdata <= 8'b0;
end
else begin
wdata <= add_wdata[7:0];
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
addr <= 8'b0;
end
else begin
addr <= add_wdata[15:8];
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
wr_en <= 1'b0;
end
else if(add_rw_cnt && rw_cnt==0 && add_wdata[16])begin
wr_en <= 1'b1;
end
else begin
wr_en <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rd_en <= 1'b0;
end
else if(add_rw_cnt && rw_cnt==1 && add_wdata[17])begin
rd_en <= 1'b1;
end
else begin
rd_en <= 1'b0;
end
end

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1.5 SCCB接口模块设计

1.5.1接口信号

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	工作时钟 25M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
wren	I	1	写使能
rden	I	1	读使能
Sub_addr	I	8	寄存器地址
rdata	O	8	读寄存器数据
rdata_vld	O	1	读寄存器数据有效指示信号
Wdata	I	8	写寄存器数据
rdy	O	1	准备好接收指示信号
Sio_c	O	1	SCCB接口时钟信号
Sio_d_r	I	1	SCCB接口读数据线
en_sio_d_w	O	1	三态门使能信号
Sio_d_w	O	1	SCCB接口写数据线

1.5.2设计思路

本工程使用的SCCB接口协议，只有两根线，时钟线sio_c和数据线sio_d，因此如果要使用这个接口，我们需要时钟线的频率要求、读数据的时序和写数据的时序。知道了需求，那么在查看数据手册的时候便容易很多。

下图为三线传输开始的标志，本工程中使用的是两线传输，因此可以将下图中的SCCB_E信号忽略，然后可以看出，在sio_c为高的时候，sio_d拉低，表示数据传输的开始，但是在图中看不出sio_d拉低到sio_c拉低的间隔时间是多少。

下图是三线传输停止的标志，本工程使用的是两线传输，因此还是将SCCB_E信号忽略即可，由此得出，在sio_c为高的时候，将sio_d拉高，表示传输的结束，但是下图仍然无法看出从sio_c拉高到sio_d拉高间隔的时间

下图为OV7670数据手册中关于SCCB接口时序的描述，开始条件保持时间为tHD:STA，开始条件建立时间为tSU:STO。

下表为ov7670摄像头数据手册中关于SCCB时序的一些时间参数，查表得到，tHD:STA和tSU:STO最小值为600ns，因此对于这两个参数们可以根据我们使用的方便进行设置。而SCCB的时钟频率，最大值为400K，也可以根据我们的方便进行设置，只要不超过400K就可以了。

经过上面的时序图以及表格的参考，我们基本上可以将sio_c这个信号设计出来了，下面我们在关注sio_d，该信号我们主要关注读数据时序和写数据时序，下图为3相写传输周期，也就是写时序共有三段组成，第一段ID Address为读写属性，第二段Sub-address为寄存器地址，第三段Write Date为写数据，每段都是由9bit数据组成，数据从高到低排列，最低位x为不关心为，下面再使用的时候统一设置为1即可。

下图为读时序，读的时序比较特别，由两相写传输周期和两相读传输周期组成，首先执行写传输周期，该周期会发送读写属性与寄存器地址，目的是为了先识别要读取数据的寄存器，之后执行读传输周期，该周期会发送读写属性，之后开始接收返回的数据即可，8bit的数据接收完成之后，FPGA需要驱动NA位为1，之后读周期结束。

下面开始本模块的设计，首先确定sio_c的频率，这里我将它设置为120个系统时钟周期为1个sio_c的时钟周期，时钟频率约等于208K。为了方便计算，将开始条件保持时间和开始条件建立时间都设置为1个sio_c周期。每个周期发送1bit数据，因此还需要一个计数器来计数每阶段共有多少bit的数据。而读时序的话，由两段组成，因此还需要一个计数器来数写数据时序和读数据时序需要的段数，最终的到下面计数器的架构图：

下面开始对本模块各个信号进行设计：

Sio_c周期计数器count_sck：该计数器表示sio_c一个周期需要的时钟周期个数。加一条件为(flag_r || flag_w)，表示接收到读使能或者写使能之后便开始计数；结束条件为数120个，跟工程设置的SCCB时钟频率为208Khz，一个周期约为4800ns，因此需要数120个，数完就清零。

位计数器count_bit：该计数器表示每个阶段需要传输的数据位数。加一条件为end_count_sck，每传输一位需要一个sio_c的周期；结束条件为数bit_num个，阶段不同，传输的数据数也不同，写数据阶段bit_num=30，读数据阶段bit_num=21。

阶段计数器count_duan：该计数器表示传输数据所需要的阶段。加一条件为end_count_bit，每个阶段的数据传输完成之后，表示当前阶段结束；结束条件为数duan_num个，写数据阶段，duan_num=1，读数据阶段duan_num=2。

SCCB时钟信号sio_c：初始状态为高电平，由于频率为208K，因此高电平和低电平各持续60个时钟周期，又由于开始条件保持时间和开始条件建立时间的存在，sio_c在每个阶段的第一个数据和最后一个数据部分不能变为低电平，所以变低的条件为(count_bit>=0 && count_bit < (bit_num-2) &&add_count_sck && count_sck == SIO_C-1)；从低变高的条件为(count_bit>=1 && count_bit < bit_num && add_count_sck&& count_sck == SIO_C/2-1)。

读状态指示信号flag_r：初始状态为0，表示不处于读状态，当接收到读使能ren有效的时候，变为高电平，表示进入读状态；当段计数器count_duan数完之后，该信号变为低电平，表示读阶段结束。

写状态指示信号flag_w：初始状态为0，表示不处于写状态，当接收到写使能wen有效的时候，变为高电平，表示进入写状态；当段计数器count_duan数完之后，该信号变为低电平，表示写阶段结束。

要输出的数据out_data：读数据阶段out_data= {1'h0,rd_com,1'h1,addr_ff,1'h1,1'h0,1'h1,9'h0}，其中从左往右依次是起始位0、读写属性rd_com、1bit的x、寄存器地址、1bit的x、1个间隔为0、结束位1和9bit的0。间隔位0的存在是由于数据传输结束是一个拉高的操作，因此需要先将数据线拉低，在发送结束位。后面9bit0仅仅是为了将out_data的位宽占满，如果不补的话，会在高位自动补零，这样就不对了。读写属性rd_com会因为读写的不同而变化，写的时候为8’h42，读的时候为 8’ h43；写数据阶段out_data={1'h0,8'h42,1'h1,addr_ff,1'h1,wdata_ff,1'h1,1'h0,1'h1}，其中从左往右依次是起始位0、写属性8’h42、1bit的x、寄存器地址、1bit的x、写数据wdata_ff、1个间隔为0、结束位1。

三态门使能en_sio_d_w：当该信号为0，此时只允许从机往FPGA发送数据。当该信号为1时，只允许FPGA往从机发送数据。因此该信号初始状态为0，当需要进行写数据的时候，将该信号拉高即可，拉高的条件为(ren || wen)和(flag_r &&count_duan==1 && count_bit==18 && add_count_sck &&count_sck==1-1)，这两个条件分别是在接收到读使能或者写使能的时候，都需要先往从机里面写入数据，再读数据的第二阶段，将数据读出之后，还要发送间隔位、停止位等。再读数据得时候，将三态门使能信号拉低，也就是在读的第二阶段，所以拉低的条件为(flag_r && count_duan==1 && count_bit==10 &&add_count_sck && count_sck==1-1)。

写数据线sio_d_w：在写数据区域，将out_data的值按照顺序赋值即可，注意在赋值的时候，要在SCCB时钟一个时钟周期开始的时候进行，因此条件为(count_bit>= 0 && count_bit < bit_num && add_count_sck &&count_sck == SIO_C/4-1)。

读数据rdata：读出数据的时间为读时序的第二阶段，注意在取值的时候，需要SCCB时钟的高电平的中间时刻进行(flag_r&& count_duan==1 && count_bit>=10 && count_bit <18 && add_count_sck && count_sck==SIO_C/4*3-1)。

读数据有效指示信号rdata_vld：初始状态为0，表示此时读数据信号无效。当读数据阶段全部完成之后，读数据有效，将该信号拉高一个时钟周期，因此条件为(flag_r && end_count_duan)。

准备好接收指示信号rdy：该信号为0时，表示当前模块处于发送或者接收状态，不能接收上游模块发送的数据。该信号为1时，表示当前看模块处于空闲状态，可以接受上游模块发送的数据。因此该信号为1的条件是(wen || ren || flag_r|| flag_w)。注意rdy信号需要使用组合逻辑产生。

1.5.3参考代码

always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
count_sck <= 0;
end
else if(add_count_sck)begin
if(end_count_sck)begin
count_sck <= 0;
end
else begin
count_sck <= count_sck + 1;
end
end
end
assign add_count_sck = flag_r || flag_w;
assign end_count_sck = add_count_sck && count_sck == SIO_C-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
count_bit <= 0;
end
else if(add_count_bit)begin
if(end_count_bit)begin
count_bit <= 0;
end
else begin
count_bit <= count_bit + 1;
end
end
end
assign add_count_bit = end_count_sck;
assign end_count_bit = add_count_bit && count_bit == bit_num+2-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
count_duan <= 0;
end
else if(add_count_duan)begin
if(end_count_duan)begin
count_duan <= 0;
end
else begin
count_duan <= count_duan + 1;
end
end
end
assign add_count_duan = end_count_bit;
assign end_count_duan = add_count_duan && count_duan == duan_num-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_r <= 0;
end
else if(ren)begin
flag_r <= 1;
end
else if(end_count_duan)begin
flag_r <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_w <= 0;
end
else if(wen)begin
flag_w <= 1;
end
else if(end_count_duan)begin
flag_w <= 0;
end
end
always @(*)begin
if(flag_r)begin
bit_num = 21;
duan_num = 2;
end
else if(flag_w)begin
bit_num = 30;
duan_num = 1;
end
else begin
bit_num = 1;
duan_num = 1;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
sio_c <= 1;
end
else if(sio_c_h2l)begin
sio_c <= 0;
end
else if(sio_c_l2h)begin
sio_c <= 1;
end
end
assign sio_c_h2l = count_bit >= 0 && count_bit < (bit_num-2) && add_count_sck && count_sck == SIO_C-1;
assign sio_c_l2h = count_bit >= 1 && count_bit < bit_num && add_count_sck && count_sck == SIO_C/2-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
wdata_ff <= 0;
addr_ff <= 0;
end
else if(wen ||ren) begin
wdata_ff <= wdata ;
addr_ff <= sub_addr ;
end
end
always @ (*)begin
if(flag_r)begin
out_data = {1'h0,rd_com,1'h1,addr_ff,1'h1,1'h0,1'h1,9'h0};
end
else if(flag_w)begin
out_data = {1'h0,8'h42,1'h1,addr_ff,1'h1,wdata_ff,1'h1,1'h0,1'h1};
end
else begin
out_data = 0;
end
end
assign rd_com = (flag_r && count_duan == 0)? 8'h42 : 8'h43;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
en_sio_d_w <= 0;
end
else if(ren || wen)begin
en_sio_d_w <= 1;
end
else if(end_count_duan)begin
en_sio_d_w <= 0;
end
else if(en_sio_d_w_h2l)begin
en_sio_d_w <= 0;
end
else if(en_sio_d_w_l2h)begin
en_sio_d_w <= 1;
end
end
assign en_sio_d_w_h2l = flag_r && count_duan == 1 && count_bit == 10 && add_count_sck && count_sck == 1-1;
assign en_sio_d_w_l2h = flag_r && count_duan == 1 && count_bit == 18 && add_count_sck && count_sck == 1-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
sio_d_w <= 1;
end
else if(out_data_time)begin
sio_d_w <= out_data[30-count_bit-1];
end
end
assign out_data_time = count_bit >= 0 && count_bit < bit_num && add_count_sck && count_sck == SIO_C/4-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rdata <= 0;
end
else if(rdata_time)begin
rdata[17-count_bit] <= sio_d_r;
end
end
assign rdata_time = flag_r && count_duan==1 && count_bit>=10 && count_bit<18 && add_count_sck && count_sck==SIO_C/4*3-1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rdata_vld <= 0;
end
else if(flag_r && end_count_duan)begin
rdata_vld <= 1;
end
else begin
rdata_vld <= 0;
end
end
always @(*)begin
if(ren || wen || flag_r || flag_w)begin
rdy = 0;
end
else begin
rdy = 1;
end
end
endmodule

复制代码

1.6 图像采集模块设计1.6.1接口信号

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	工作时钟 25M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
en_capture	I	1	摄像头配置完成指示信号，当其为1时，表示摄像头完成了配置。
vsync	I	1	摄像头帧同步信号，该信号拉高几个时钟周期，表示一帧图像传输的开始。
href	I	I	摄像头行同步信号，该信号为高电平时，摄像头输出的数据有效。
din	I	8	摄像头输出数据
dout	O	16	输出图像数据
dout_vld	O	1	输出图像数据有效指示信号
dout_sop	O	1	输出图像第一个有效数据指示信号
dout_eop	O	1	输出图像最后一个有效数据指示信号

1.6.2设计思路

下面时序图是从OV7670摄像头数据手册中得到的，可以看出来摄像头输出的数据跟随像素时钟时钟，一个时钟周期输出一个字节的数据，而且数据只在行同步信号href为高时有效，我们可以将行同步信号href当作是摄像头输出数据有效指示信号来使用。

从下面时序图中可以看出，帧同步信号拉高三个时钟周期，表示将要开始一帧图像的传输，在vsync拉高之后，到图像开始传输，还有一段时间，这段时间不用管是多少，可以看行同步信号href是否为高就可以了。

我们配置摄像头输出格式为RGB565，因此一个像素是由两个字节组成，而输出数据接口的位宽是一个字节，因此摄像头两个时钟周期才能输出一个完整的图像数据，由下图可以看出先输出的是高8位数据，然后再输出低8位数据。

从上面几个时序图中，已经知道了摄像头输出图像的时刻以及方式，便可以开始对数据进行接收，这里采用行、场两个计数的架构，如下图所示：

行计数器cnt_x：该计数器用来表示摄像头输出图像一行数据的个数。加一条件为din_vld，表示输入的数据有效，便开始计数。结束条件为数1280个，一行有640个像素数据，每个像素都是两个字节，摄像头每次输出一个字节，因此共输出1280个。

列计数器cnt_y：该计数器用来计数一帧图像的行数。加一条件为end_cnt_x，表示每数完1行就加一。结束条件为数480个，一帧图像就是480行，数完就清零。

下面再看一下该模块其他信号的设计：

采集状态指示信号flag_capture：初始状态为0，表示不处于采集状态，当检测到帧同步信号的上升沿和配置完成指示信号有效的时候，便进入采集状态，因此该信号变为1的条件为(flag_capture==0&& vsync_12h && en_capture)。当一帧图像传输完成之后，就退出采集状态，因此该信号变0的条件为end_cnt_y。

输入数据有效指示信号din_vld：当进入到采集状态，并且检测到行同步信号为1的时候，输入数据就是有效的，该信号由组合逻辑产生，即flag_capture&& href。

输出图像数据dout：初始状态为0，当输入数据有效时，按照数据的排列顺序，进行串并转换。

输出图像数据有效指示信号dout_vld：一个像素数据为2个字节，摄像头每个时钟输出一个字节，因此是输出两次有效一次。初始状态为0，表示数据无效，当行计数器cnt_x的第0位为1的时候，该信号变为1，表示输出图像数据有效。

第一个有效数据指示信号dout_sop：初始状态为0。当行计数器cnt_x等于1，并且列计数器等于0的时候，表示输出第一个有效数据，该信号拉高，其他时候为0。

最后一个有效数据指示信号dout_eop：当行计数器cnt_x等于1280-1，并且列计数器等于480-1的时候，表示输出最后一个有效数据，该信号为高，其他时候为低电平。

1.6.3参考代码

always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_x <= 0;
end
else if(add_cnt_x)begin
if(end_cnt_x)begin
cnt_x <= 0;
end
else begin
cnt_x <= cnt_x + 1;
end
end
end
assign add_cnt_x = flag_capture && din_vld;
assign end_cnt_x = add_cnt_x && cnt_x == COL*2-1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_y <= 0;
end
else if(add_cnt_y)begin
if(end_cnt_y)begin
cnt_y <= 0;
end
else begin
cnt_y <= cnt_y + 1;
end
end
end
assign add_cnt_y = end_cnt_x;
assign end_cnt_y = add_cnt_y && cnt_y == ROW-1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
flag_capture <= 0;
end
else if(flag_capture == 0 && vsync_l2h && en_capture)begin
flag_capture <= 1;
end
else if(end_cnt_y)begin
flag_capture <= 0;
end
end
assign vsync_l2h = vsync_ff0 == 0 && vsync == 1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
vsync_ff0 <= 0;
end
else begin
vsync_ff0 <= vsync;
end
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
dout <= 0;
end
else if(din_vld)begin
dout <= {dout[7:0],din};
end
end
assign din_vld = flag_capture && href;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
dout_vld <= 0;
end
else if(flag_dout_vld)begin
dout_vld <= 1;
end
else begin
dout_vld <= 0;
end
end
assign flag_dout_vld = add_cnt_x && cnt_x[0] == 1;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
dout_sop <= 0;
end
else if(flag_dout_vld && cnt_x[10:1] == 0 && cnt_y == 0)begin
dout_sop <= 1;
end
else begin
dout_sop <= 0;
end
end
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
dout_eop <= 0;
end
else if(flag_dout_vld && cnt_x[10:1] == COL-1 && cnt_y == ROW-1)begin
dout_eop <= 1;
end
else begin
dout_eop <= 0;
end
end

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1.7 存储控制模块设计
1.7.1接口信号

信号名	I/O	位宽	定义
clk	I	1	工作时钟 25M
rst_n	I	1	系统复位信号，低电平有效
clk_in	I	1	SDRAM时钟，100M
din	I	16	输入图像数据
din_vld	I	1	输入图像数据有效指示信号
din_sop	I	1	第一个有效图像数据指示信号
din_eop	I	1	最后一个有效图像数据指示信号
dout	O	16	输出图像数据
wr_req	O	1	写SDRAM请求信号
rd_req	O	1	读SDRAM请求信号
wdata	O	16	写SDRAM数据
wr_ack	I	1	写SDRAM响应
rd_ack	I	1	读SDRAM响应
sd_rdata	I	16	读SDRAM数据
sd_rdata_vld	I	1	读SDRAM数据有效指示信号
display_area	I	1	显示器显示区域指示信号
bank	O	2	SDRAM的Bank地址
addr	O	13	SDRAM的地址

1.7.2设计思路

本工程的主体时钟为25M，显示器的分辨率为640*480，相当于一个时钟周期显示一个像素。而摄像头的工作时钟也是25M，但是数据位宽为8bit，相当于两个时钟输出一个像素，如果直接将采集模块接收到的数据送给显示器显示，那么一个像素点会被显示两次，这肯定是不对的，因此需要先将摄像头输出的数据缓存起来，当存够一帧图像之后，再送给显示器进行显示，显示器本该1秒显示60帧图像的，降低到了30帧，但是显示的图像是正确而且连续的。

所以本模块的作用就是存储控制，再SDRAM中划分两个区域，通过乒乓操作的方式进行存储的控制，该操作的主要的难点在于摄像头是不断输出数据的，而显示器也需要不断的进行显示才可以，两边都不能等待，但是SDRAM的读写都是使用的同一组数据总线，这也就造成了它注定无法进行同时读写。但是对于本工程来说，由于工程主体时钟25M和SDRAM工作时钟100M相比有较大差距，因此可以使用一种“伪同时读写”的操作，达到“同时读写”的效果。此方法的介绍请在明德扬论坛中搜索“需要同时读写SDRAM的解决办法”。

本模块内部包含两个FIFO（fifo原理以及使用，可以在明德扬论坛搜索学习），fifo_16bwrite和fifo_16bread，前者为写FIFO，后者为读FIFO，两个FIFO的作用主要是跨时钟域处理和数据缓存。下面介绍一下该模块中各个信号的设计。

写FIFO写使能wfifo_wrreq：输入图像数据从第一个有效数据开始一直到最后一个有效数据期间，写使能信号一直为高电平，即(din_vld && (din_sop || get_data_flag))。

数据写入指示信号get_data_flag：初始状态为0，表示没有数据需要写入；拉高的条件为(din_vld&& din_sop)，表示接收到第一个有效数据时，便开始写入；有高变低的条件为(din_vld && din_eop)，表示当检测到最后一个有效数据之后，将该信号拉低，停止写入。

写FIFO数据读出指示信号rd_wfifo_flag：初始状态为0，表示不需要读出数据；变高的条件为wfifo_rdusedw>=512，表示当写FIFO内部数据量达到512个的时候，便准备将数据读出

由于一帧图像的像素点共640*480=307200个，而SDRAM一行有512个存储空间，要将图像存储进SDRAM中，共需要600行。因此提出两个计数器的架构：

写数据行计数器cnt_rd_wfifo：该信号表示SDRAM中每一行中要写入的数据量。加一条件为(rd_wfifo_flag&& ((cnt_rd_wfifo==0 && wr_ack) || (cnt_rd_wfifo!=0))，表示在写数据准备读出状态下，如果检测到写响应信号有效，便开始计数；结束条件为数512个，SDRAM每行内存容量为512个数据，数完就清零。

写SDRAM列地址计数器cnt_waddr：该计数器用于计数SDRAM的列地址。加一条件为end_cnt_rd_wfifo，表示每行写完就加一；结束条件为数600个，总需要600行。

读FIFO数据写入指示信号wr_rfifo_flag：初始状态为0，表示不需要写入数据；变高的条件为rfifo_rdusedw<550，表示当读FIFO内部数据量小于550个的时候，便请求写入数据。

读使能rd_req：再读FIFO不处于请求数据写入状态的时候，检测到读FIFO内部的数据量少于550个的时候，读使能信号有效，直到接收到读响应。

写使能wr_req：在写FIFO不处于请求输出的状态的时候，检测到写FIFO内部的数据量至少有512个的时候，写使能信号有效，直到接收到写响应。

写FIFO读使能wfifo_rdreq：当写FIFO内部不为空，并且行计数器开始计数的时候，该信号有效。

读数据行地址计数器cnt_wr_rfifo：该计数器表示读SDRAM时候的行地址；加一条件为sd_rdata_vld，表示SDRAM读出数据有效就加一；结束条件为数512个。

读数据列地址计数器cnt_raddr：该计数器表示读SDRAM时候的列地址；加一条件为end_cnt_wr_rfifo，表示读出一行数据，就加一；结束条件为数600个。

写Bank地址waddr_bank：初始状态为2’b0，当一帧图像的数据全部写进去之后，写Bank地址取反，变为2’b11。

读Bank地址raddr_bank：初始状态为2’b11，当一帧图像全部读出来之后，并且与写Bank地址相等，则取反，变为2’b00。

Bank切换计数器cnt_bank：由于读写Bank的切换需要时间，因此需要此计数器来决定间隔的时间，当开始切换Bank的时候开始计数，经过调试，共间隔8个时钟周期。

读FIFO的读使能：当进入到有效显示区域的时候，便将FIFO内部数据读出。

读FIFO的写使能：当SDRAM输出有效数据的时候，写使能便拉高，将数据写入。

1.7.3参考代码

always @(*)begin
if(rd_wfifo_flag)
bank=waddr_bank;
else
bank=raddr_bank;
end
always @(*)begin
if(rd_wfifo_flag)
addr=waddr;
else
addr=raddr;
end
fifo_16bwrite fifo_16bwrite_inst (
.aclr ( ~rst_n ),
.data (din ),
.rdclk (clk_in ),
.rdreq (wfifo_rdreq ),
.wrclk (clk ),
.wrreq (wfifo_wrreq ),
.q (wdata ),
.rdempty (wfifo_rdempty ),
.rdusedw (wfifo_rdusedw )
);
fifo_16bread fifo_16bread_inst (
.aclr ( ~rst_n ) ,
.data (sd_rdata ),
.rdclk (clk ),
.rdreq (display_area ),
.wrclk (clk_in ),
.wrreq (sd_rdata_vld ),
.q (dout ),
.rdempty (rfifo_rdempty ),
.rdusedw (rfifo_rdusedw )
);
assign wfifo_wrreq= din_vld &&(din_sop || get_data_flag);
assign waddr = cnt_waddr ;
assign wbank = waddr_bank ;
always @ (posedge clk or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
get_data_flag <= 0;
end
else if(din_vld && din_sop)begin
get_data_flag <= 1;
end
else if(din_vld && din_eop) begin
get_data_flag <= 0;
end
end
assign rd_wfifo_start = rd_wfifo_flag==0&&wfifo_rdusedw>=512;
always @ (posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
rd_wfifo_flag <= 0;
end
else if(wfifo_rdusedw>=512)begin
rd_wfifo_flag <= 1;
end
else if(end_cnt_rd_wfifo) begin
rd_wfifo_flag <= 0;
end
end
always @ (posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
wr_req <= 0;
end
else if(rd_wfifo_flag==0&&wfifo_rdusedw>=512)begin
wr_req <= 1 ;
end
else if(wr_ack) begin
wr_req <= 0;
end
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_rd_wfifo <= 0;
end
else if(add_cnt_rd_wfifo)begin
if(end_cnt_rd_wfifo)
cnt_rd_wfifo <= 0;
else
cnt_rd_wfifo <= cnt_rd_wfifo + 1;
end
end
assign add_cnt_rd_wfifo = rd_wfifo_flag&&((cnt_rd_wfifo==0&&wr_ack)||(cnt_rd_wfifo!=0));
assign end_cnt_rd_wfifo = add_cnt_rd_wfifo && cnt_rd_wfifo== 512-1;
always @(*)begin
if(add_cnt_rd_wfifo&&wfifo_rdempty==0)
wfifo_rdreq=1;
else
wfifo_rdreq=0;
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_waddr <= 0;
end
else if(add_cnt_waddr)begin
if(end_cnt_waddr)
cnt_waddr <= 0;
else
cnt_waddr <= cnt_waddr + 1;
end
end
assign add_cnt_waddr = end_cnt_rd_wfifo;
assign end_cnt_waddr = add_cnt_waddr && cnt_waddr==600-1 ;
assign raddr= cnt_raddr;
assign rbank= raddr_bank;
assign wr_rfifo_star= wr_rfifo_flag==0&&rfifo_rdusedw<550;
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
wr_rfifo_flag <= 0;
end
else if(wr_rfifo_star)begin
wr_rfifo_flag <= 1;
end
else if(end_cnt_wr_rfifo)begin
wr_rfifo_flag <= 0;
end
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
rd_req <= 0;
end
else if(wr_rfifo_star)begin
rd_req <= 1;
end
else if(rd_ack)begin
rd_req <= 0;
end
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_wr_rfifo <= 0;
end
else if(add_cnt_wr_rfifo)begin
if(end_cnt_wr_rfifo)
cnt_wr_rfifo <= 0;
else
cnt_wr_rfifo <= cnt_wr_rfifo + 1;
end
end
assign add_cnt_wr_rfifo = sd_rdata_vld ;
assign end_cnt_wr_rfifo = add_cnt_wr_rfifo && cnt_wr_rfifo== 512-1;
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_raddr <= 0;
end
else if(add_cnt_raddr)begin
if(end_cnt_raddr)
cnt_raddr <= 0;
else
cnt_raddr <= cnt_raddr + 1;
end
end
assign add_cnt_raddr = end_cnt_wr_rfifo;
assign end_cnt_raddr = add_cnt_raddr && cnt_raddr==600-1 ;
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
waddr_bank <= 2'b00;
end
else if(end_cnt_waddr)begin
waddr_bank <= ~waddr_bank;
end
end
assign change_bank = end_cnt_raddr&&raddr_bank==waddr_bank;
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
raddr_bank <= 2'b11;
end
else if(end_cnt_raddr&&raddr_bank==waddr_bank)begin
raddr_bank <= ~raddr_bank;
end
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
change_bank_instr <= 0 ;
end
else if(change_bank)begin
change_bank_instr<=1;
end
else if(end_cnt_bank)begin
change_bank_instr <= 0 ;
end
end
always @(posedge clk_in or negedge rst_n)begin
if(!rst_n)begin
cnt_bank <= 0;
end
else if(add_cnt_bank)begin
if(end_cnt_bank)
cnt_bank <= 0;
else
cnt_bank <= cnt_bank + 1;
end
end
assign add_cnt_bank = change_bank_instr;
assign end_cnt_bank = add_cnt_bank && cnt_bank==8-1 ;

复制代码

1.8 SDRAM接口模块设计

本模块的设计跟上一个案例《SDRAM读写控制器》基本一样，这里就不再做介绍，想要了解的可以去明德扬论坛搜素相关文章即可。

【每周FPGA案例】SDRAM读写控制器

1.9 VGA接口模块设计

本模块的设计可以参考明德扬书籍《FPGA至简设计原理与应用》中关于VGA部分的案例，也可以在明德扬论坛中搜索书籍名称。

【FPGA至简设计原理与应用】书籍连载17 第三篇FPGA至简设计项目第八章VGA显示颜色

1.10 效果和总结

该工程无论在哪一个板子上都是使用的显示器观察现象，因此我们只看一个就可以了

感兴趣的朋友也可以访问明德扬论坛（http://www.fpgabbs.cn/）进行FPGA相关工程设计学习，也可以看一下我们往期的文章：

1.11 公司简介

明德扬是一家专注于FPGA领域的专业性公司，公司主要业务包括开发板、教育培训、项目承接、人才服务等多个方向。点拨开发板——学习FPGA的入门之选。
MP801开发板——千兆网、ADDA、大容量SDRAM等，学习和项目需求一步到位。网络培训班——不管时间和空间，明德扬随时在你身边，助你快速学习FPGA。周末培训班——明天的你会感激现在的努力进取，升职加薪明德扬来助你。就业培训班——七大企业级项目实训，获得丰富的项目经验，高薪就业。专题课程——高手修炼课：提升设计能力；实用调试技巧课：提升定位和解决问题能力；FIFO架构设计课：助你快速成为架构设计师；时序约束、数字信号处理、PCIE、综合项目实践课等你来选。项目承接——承接企业FPGA研发项目。人才服务——提供人才推荐、人才代培、人才派遣等服务。

[设计教程下载]

至简设计系列案例_OV7670摄像头显示.pdf (1.97 MB, 下载次数: 1481)

明德扬吴老师 · 发表于 2021-2-2 10:46:00

明德扬点拨开发板不能用OV7670显示，但可以用OV7670做边缘检测案例

张亚洲 · 发表于 2021-3-13 17:43:04

这个工程设计的详细，涉及到很多技巧，谢谢

【每周FPGA案例】OV7670摄像头显示编号：002600000065

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