基于FPGA的MIPICSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计和优势

摘要：阐述一种基于FPGA的MIPI CSI-2接口高清摄像头图像采集系统设计，该设计用FPGA实现当前应用广泛的MIPI高清 CCD采集，并提供LCD屏、USB两路输出，数据传输稳定可靠，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。

引言

CSI（CameraSerialInte rf ace)是由MIPI（MobileIndustryProcessorInterface）联盟下Camera工作组制定的接口标准，是MIPI联盟发起的为移动应用处理器制定的开放标准，MIPI联盟由ARM、诺基亚、意法半导体和德州仪器发起成立，作为移动行业领导者的合作组织，MIPI联盟旨在确定并推动移动应用处理器接口的开放性标准。CSI接口具有接口少、抗EMI强、速度快、功耗低等优点。CSI-2是MIPICSI第二版，CSI-2由应用层、协议层、物理层组成，最大支持4通道数据传输，单线传输速度高达1Gb/s[1-2]。

系统使用的图像传感器是OV5640，该CCD分辨率高达5M像素，提供两通道MIPI数据传输[3]。系统使用的FPGA为xilinx的Spartan-6，型号为XC6SLX45，该系列的FPGA拥有业界领先的系统集成能力，同时为成本敏感型应用带来了低风险、低成本和低功耗的最佳平衡[4-5]。

本文阐述如何在FPGA上进行MIPICSI-2接口设计，实现高清摄像头数据采集、显示、接口转换，把MIPI接口摄像头应用到更广泛的其他电路系统中，加快系统开发，节省成本。

1系统设计原理

MIPICSI-2图像采集系统如图1所示，整个系统由CCD图像传感器、FPGA、DDR、FLASH存储器组成。CPU使用SOPC，CCD驱动模块、USB驱动模块、LCD驱动模块、DDR管理模块等在FPGA内部设计。

CCD图像传感器经光电转换，把采集到的图像经MIPI接口传到FPGA，FPGA解码后把图像存储在DDR，后分两路输出，一路送到LCD显示屏实时显示，另一路转换成USB接口输出。

图1 MIPICSI-2图像采集系统框图

2 软硬件设计

2.1硬件设计
MIPI接口有低功耗和高速两种工作模式，低功耗模式下的电平为0～1.2V，可直接接到FPGA的I/O口，只需把接口电平配置成LVCOMS1.2V，高速模式下的电平标准是SLVS，其共模电压为200mV，摆幅为200mVp-p，高速模式下的接口连接需要做一些处理。目前市场上的FPGA还没有SLVS电压标准的接口，幸运的是Spartan-6带有LVDS电平接口。由图2可以看出，做为接收端，FPGA的LVDS接口终端电阻使用外部电阻，其共模电压最低可以达到100mv，而SLVS高速模式下的共模电压在200mv左右，在LVDS的允许范围内，可用于MIPI接收，其IO口连接按图3所示的接法设计，解决FPGA与MIPICSI-2物理层（D-PHY）电平匹配问题。

OV5640为两通道MIPI数据口，加上时钟信号，FPGA端用3对LVDS、6个1.2V电平普通IO、2个用于I2C控制普通IO。

DDR选用的为16位MT46H64M16LFBF，其接口控制模块使用Spartan-6自带的MCB硬核设计，MCB可使DDR达到较高速安全运行，并且MCB自带温漂补偿功能，环境适应能力较强。

数据输出部分使用的是标准接口，LCD显示屏接口使用的是24位标准RGB接口，由于FPGA内嵌的USB2.0内核价格昂贵，USB传输系统使用了Cypress 公司的CY7C68013芯片。

图2 SLVStoLVDSSignalLevels