紫光同创FPGA图像视频采集系统，提供2套PDS工程源码和技术支持

1、前言

“苟利国家生死以，岂因祸福避趋之！”我优秀地下档员川建国同志，敏锐地洞察到祖国的短板在于高精尖半导体的制造领域，于是本着为中华民族伟大复兴的中国梦贡献绵薄之力的初心，建国站在高略高度和长远角度谋划，宁愿背当代一世之骂名也要为祖国千秋万世谋，2018年7月，建国正式打响毛衣战，随后又使出恰勃纸战术，旨在为祖国先进制程半导体领域做出自主可控的战略推动；在此，请收下我一声谢谢啊！！！！！！

2019年初我刚出道时，还是Xilinx遥遥领先的时代(现在貌似也是)，那时的国产FPGA还处于辣鸡段位，国产FPGA仰望Xilinx情不自禁道：你以为躲在这里就找不到你吗？没用的，你那样拉轰的男人，无论在哪里，都像黑夜里的萤火虫那样的鲜明、那样的出众，你那忧郁的眼神，稀嘘的胡渣子，神乎其技的刀法，还有那杯Dry martine，都深深的迷住了我。。。然而才短短4年，如今的国产FPGA属于百家争鸣、百花齐放、八仙过海、神仙打架、方兴未艾、得陇望蜀、友商都是XX的喜极而泣之局面，面对此情此景，不得不吟唱老人家的诗句：魏武挥鞭，东临碣石有遗篇，萧瑟秋风今又是，换了人间。。。
言归正传，目前对于国产FPGA的共识有以下几点：
1：性价比高，与同级别国外大厂芯片相比，价格相差几倍甚至十几倍；
2：自主可控，国产FPGA拥有完整自主知识产权的产业链，从芯片到相关EDA工具
3：响应迅速，FAE技术支持比较到位，及时解决开发过程中遇到的问题，毕竟中文数据手册。。
4：采购方便，产业链自主可控，采购便捷

本文使用紫光同创的PGL22G-6MBG324 FPGA做基础的图像视频采集系统，视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用廉价的OV7725或OV5640摄像头；如果你手里没有OV7725或OV5640摄像头或者FPGA开发板没有摄像头输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行选择；提供2套Pango Design Suite 2021.4版本的工程源码；第一套默认上电选择OV7725输入，分辨率为640X480；第二套默认上电选择OV5640输入，分辨率为1280X720；FPGA采集到输入视频后，使用本人开发的HDMA视频缓存架构，将视频送到外接DDR3中缓存，然后读出视频送HDMI显示器显示；

紫光同创FPGA图像视频采集系统的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、紫光同创FPGA相关方案推荐

鉴于国产FPGA的优异表现和市场需求，我专门开设了一个人紫光同创FPGA专栏，里面收录了基于紫光同创FPGA的图像处理、UDP网络通信、GT高速接口、PCIE等博客，感兴趣的可以去看看，博客地址：点击直接前往

3、设计思路框架

工程1设计框图如下：
在这里插入图片描述
工程2设计框图如下：

视频源选择

视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用廉价的OV7725或OV5640摄像头；如果你手里没有OV7725或OV5640摄像头或者FPGA开发板没有摄像头输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行选择；提供2套Pango Design Suite 2021.4版本的工程源码；第一套默认上电选择OV7725输入，分辨率为640X480；第二套默认上电选择OV5640输入，分辨率为1280X720；视频源选择如下：
在这里插入图片描述
视频源选择逻辑代码部分如下：

选择逻辑如下：
当(注释) define COLOR_IN时，输入源视频是动态彩条；
当(不注释) define COLOR_IN时，输入源视频是OV7725或OV5640；

OV7725摄像头配置及采集

OV7725摄像头需要i2c配置才能使用，需要将DVP接口的视频数据采集为RGB565或者RGB888格式的视频数据，这两部分均用verilog代码模块实现，代码位置如下：
在这里插入图片描述
其中摄像头配置为分辨率640x480；
摄像头采集模块支持RGB565和RGB888格式的视频输出，可由参数配置，如下：

RGB_TYPE=0输出本RGB565格式；
RGB_TYPE=1输出本RGB888格式；
设计选择RGB888格式；

OV5640摄像头配置及采集

OV5640摄像头需要i2c配置才能使用，需要将DVP接口的视频数据采集为RGB565或者RGB888格式的视频数据，这两部分均用verilog代码模块实现，代码位置如下：
在这里插入图片描述
其中摄像头配置为分辨率1280x720，如下：

摄像头采集模块支持RGB565和RGB888格式的视频输出，可由参数配置，如下：

RGB_TYPE=0输出本RGB565格式；
RGB_TYPE=1输出本RGB888格式；
设计选择RGB888格式；

动态彩条

动态彩条可配置为不同分辨率的视频，视频的边框宽度，动态移动方块的大小，移动速度等都可以参数化配置，以工程1为例，配置为辨率640x480，动态彩条模块代码位置和顶层接口和例化如下：
在这里插入图片描述

HDMA图像缓存

HDMA图像缓存的本质就是一个封装了用户接口的AXI4-FULL-MASTER总线，HDMA对外与DDR3交互，紫光同创FPGA自带的DDR3控制器的用户接口为AXI4-FULL总线，HDMA对内例化两个FIFO与FPGA内部逻辑交互，所以开发者在使用HDMA时，已无需再关心复杂的为AXI4-FULL协议，只需要像使用FIFO那样简单即可；HDMA架构如下：
在这里插入图片描述
代码架构如下：

输入输出视频

输入视频的数据格式为RGB，即典型的pclk、vs、de、rgb形式的VGA视频时序，但需要注意的是，因为输入视频直接与FIFO交互，FIFO的AXI侧的数据位宽为128位，为了数据的不错位，输入视频的rgb信号接口不能为传统的24位，这里可以设置为16或者32位，代码中通过参数配置，我配置为32位，如下：
在这里插入图片描述

HDMA缓冲FIFO

例化两个FIFO作为FPGA逻辑数据与AXI4数据的缓冲，所谓缓冲，即数据位宽的转换、时钟域的转换、读写时机的控制等部分，FPGA逻辑侧的数据位宽为32位，AXI4侧的数据位宽为128位；以写FIFO为例，配置如下：
在这里插入图片描述

HDMA控制模块

HDMA控制模块的主要功能是实现AXI4-FULL主机和图像缓存读写地址切换两大功能；AXI4-FULL主机比较简单，照着AXI4-FULL时序图写就完事儿了，图像缓存读写地址切换就难了，本设计通过顶层的参数来配置图像缓存的帧数，如下：
HDMA_PINGPANG_EN=1则图像做三帧缓存；
HDMA_PINGPANG_EN=0则图像做单帧缓存；
本设计配置为HDMA_PINGPANG_EN=1；
为了实现图像的多帧缓存，将读写地址分段，如下：
读写地址=帧地址+数据地址；
数据地址：即正常的AXI4数据突发的地址增量；
写帧地址：一帧图像到来时+1；
读帧地址：一帧图像到来时+2；
如此做到了同时读写不同的帧地址，输出的图像是完美的。。。
这也叫做乒乓操作，核心代码如下：
在这里插入图片描述

HDMI输出

HDMI输出包括VGA时序和HDMI编码模块，VGA时序在紫光PGL22G-6MBG324 FPGA上只能做到720P，因为此FPGA可能太低端了，无法输出742.5M的串行时钟，当然，你用HDMI编码芯片是可以实现1080P的，所以这里只能做到720P的输出分辨率；HDMI编码模块待用原语实现，和Xilinx家的一样，代码结构如下：
在这里插入图片描述

4、PDS工程1详解：OV7725输入

开发板FPGA型号：紫光同创--PGL22G-6MBG324；
开发环境：Pango Design Suite 2021.4
输入：OV7725摄像头或动态彩条，分辨率640x480；
输出：HDMI，分辨率1280x720；
工程作用：紫光同创FPGA图像视频采集系统；
工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
工程的资源消耗和功耗如下：

5、PDS工程2详解：OV5640输入

开发板FPGA型号：紫光同创--PGL22G-6MBG324；
开发环境：Pango Design Suite 2021.4
输入：OV5640摄像头或动态彩条，分辨率1280x720；
输出：HDMI，分辨率1280x720；
工程作用：紫光同创FPGA图像视频采集系统；
工程代码架构如下：
在这里插入图片描述
工程的资源消耗和功耗如下：

6、上板调试验证并演示

准备工作

你需要有以下装备才能移植并测试该工程代码：
1：FPGA开发板；
2：OV7725或OV5640摄像头，如果没有也可以，就选择动态彩条；
3：HDMI传输线；
4：HDMI显示，要求分辨率支持1280x720；

静态演示

工程1：OV7725输入640x480分辨率HDMI输出静态演示如下：
在这里插入图片描述
工程1：动态彩条输入640x480分辨率HDMI输出静态演示如下：

工程2：OV5640输入1280x720分辨率HDMI输出静态演示如下：

工程2：动态彩条输入1280x720分辨率HDMI输出静态演示如下：