4. 图像采集接口与时序

做图像加速，第一步就是要把图像「拿进来」。

我最早接触摄像头驱动时，觉得不就是配几个寄存器嘛，结果折腾了两天才把图像调出来。后来发现，真正难的不是配置本身，而是理解背后的时序逻辑。

这一章，我们就来啃这块硬骨头。

4.1 OV5640摄像头：一颗经典的500万像素传感器

OV5640是OmniVision公司的一颗CMOS图像传感器。最大支持2592x1944分辨率，也就是500万像素。我项目中用得最多的其实是720p和1080p，因为带宽和存储都更友好。

它的核心特性：

• 支持RAW RGB、RGB565、YUV422等多种输出格式
• 内置ISP（图像信号处理），可以自动曝光、自动白平衡
• 通过SCCB总线配置内部寄存器
• 输出接口是DVP（并行）或MIPI（串行）

嗯，这里要注意：FPGA采集通常用DVP模式，因为并行接口时序简单，适合入门。

4.2 SCCB/I2C协议：配置摄像头的「语言」

OV5640的寄存器配置走的是SCCB协议。说白了，SCCB就是简化版的I2C。区别不大，但有个坑——SCCB不支持多字节连续读写，必须一地址一数据地操作。

我曾经在项目中直接用I2C控制器去配OV5640，结果发现读回来的数据全是0xFF。查了半天，原来是SCCB的停止条件比I2C多了一个额外的时钟周期。嗯，细节决定成败。

4.2.1 时序结构

SCCB的写操作分三步：

1. 发送设备地址（0x3C，写方向）
2. 发送寄存器地址（16位，高字节在前）
3. 发送寄存器数据（8位）

读操作稍微复杂一点：先写设备地址+寄存器地址，然后重新发送设备地址（0x3D，读方向），最后读取数据。

4.2.2 FPGA实现要点

写SCCB控制器，核心就是一个状态机：

// 伪代码示例
typedef enum {
    IDLE,
    START,
    SEND_ADDR,
    SEND_REG_H,
    SEND_REG_L,
    SEND_DATA,
    STOP
} sccb_state_t;

always @(posedge clk) begin
    case(state)
        IDLE: if(start) state <= START;
        START: begin
            scl <= 1'b0;
            sda <= 1'b0;
            state <= SEND_ADDR;
        end
        // ... 后续状态转移
    endcase
end

你想想看，这个状态机其实就8个状态左右。但要注意的是，每个状态都要等SCL的上升沿和下降沿，不能跳太快。

4.3 行场同步信号解析：读懂摄像头的「呼吸」

摄像头输出图像时，不是一股脑把像素全丢出来的。它用两个信号告诉你：「一行开始了」「一帧结束了」。

• HREF（行同步）：高电平时，每个PCLK输出一个有效像素
• VSYNC（场同步）：高电平表示一帧开始（或结束，取决于配置）
• PCLK（像素时钟）：每个上升沿锁存一个像素数据

我记得第一次用示波器抓这三个信号时，发现VSYNC的脉宽只有几行的时间。当时以为摄像头坏了，后来才知道OV5640的VSYNC默认是「高电平有效，帧开始前拉高」。嗯，多看几遍数据手册就明白了。

4.4 FPGA采集模块设计：把模拟信号变成数字帧

采集模块的核心任务就三个：

1. 检测VSYNC的上升沿，开始新一帧
2. 在HREF有效期间，每个PCLK锁存一个像素
3. 把像素数据写入FIFO或DDR

4.4.1 模块架构

下面是我常用的采集模块结构图：

4.4.2 核心代码片段

下面是一个简化的采集状态机：

// 采集状态机核心逻辑
always @(posedge pclk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        frame_cnt <= 0;
        line_cnt  <= 0;
        pixel_cnt <= 0;
        fifo_wr_en <= 0;
    end else begin
        // VSYNC上升沿检测
        vsync_rise <= vsync_d1 & ~vsync_d2;
        
        if (vsync_rise) begin
            frame_cnt <= frame_cnt + 1;
            line_cnt  <= 0;
            pixel_cnt <= 0;
        end else if (href) begin
            // 行有效期间，每个PCLK写一个像素
            fifo_wr_en <= 1;
            pixel_cnt <= pixel_cnt + 1;
            if (pixel_cnt == LINE_WIDTH - 1) begin
                line_cnt  <= line_cnt + 1;
                pixel_cnt <= 0;
            end
        end else begin
            fifo_wr_en <= 0;
        end
    end
end

4.5 配置实战：让OV5640输出720p@30fps

配置OV5640，说白了就是往寄存器里写值。下面是我常用的720p配置序列（部分）：

// 初始化序列（部分关键寄存器）
0x3103, 0x11  // 软件复位
0x3008, 0x82  // 进入配置模式
0x3800, 0x01  // 水平起始高字节
0x3801, 0x50  // 水平起始低字节
0x3802, 0x01  // 垂直起始高字节
0x3803, 0xD0  // 垂直起始低字节
0x3804, 0x08  // 水平结束高字节
0x3805, 0xCF  // 水平结束低字节
0x3806, 0x06  // 垂直结束高字节
0x3807, 0x8F  // 垂直结束低字节
// ... 更多配置省略

配置完成后，记得把0x3008设为0x02，让摄像头进入流模式。这时候VSYNC和HREF就开始跳动了。

好了，这一章的内容就到这里。图像采集是整个加速链路的起点，把这里搞扎实了，后面的处理才能站得住脚。