FPGA 纯VHDL解码 IMX214 MIPI 视频，2路视频拼接输出，提供vivado工程源码和技术支持

1、前言

FPGA图像采集领域目前协议最复杂、技术难度最高的应该就是MIPI协议了，MIPI解码难度之高，令无数英雄竞折腰，以至于Xilinx官方不得不推出专用的IP核供开发者使用，不然太高端的操作直接吓退一大批FPGA开发者，就没人玩儿了。

本设计基于Xilinx的Kintex7开发板，采集2路IMX214 摄像头的4Line MIPI视频，IMX214 摄像头引脚接Kintex7的LVDS BANK，经过MC20901芯片将IMX214 的MIPI信号转换为LVDS信号输出给FPGA，然后CSI2 RX模块输出Bayer视频，再经过Bayer转RGB模块输出RGB视频，再经伽马矫正模块增强图像质量，然后调用2个Xilinx官方的Video Scaler 做图像缩放，将输入的1920x1080视频缩小到960x1080；然后调用3个Xilinx官方的VDMA将图像送入PS端的DDR3中做三帧缓存后读出；调用Xilinx官方VTC模块产生输出视频时序，Kintex7调用MicroBlaze通过SDK软件动态配置VTC的输出时序，支持1080P、720P和640P三种时序输出，调用Xilinx官方AXI4-Stream to Video Out做数据流转换，输出VGA时序的RGB数据，最后通过板载的silicon9134实现的RGB转HDMI模块将视频输出显示器；

本文详细描述了FPGA 纯VHDL解码 IMX214 MIPI 视频，2路视频拼接输出的设计方案，工程代码编译通过后上板调试验证，可直接项目移植，适用于在校学生做毕业设计、研究生项目开发，也适用于在职工程师做项目开发，可应用于医疗、军工等行业的数字成像和图像传输领域；
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；
关于MIPI协议，请自行搜索，csdn就有很多大佬讲得很详细，我就不多写这块了；

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、我这里已有的 MIPI 编解码方案

我这里目前已有丰富的基于FPGA的MIPI编解码方案，主要是MIPI解码的，既有纯vhdl实现的MIPI解码，也有调用Xilinx官方IP实现的MIPI解码，既有2line的MIPI解码，也有4line的MIPI解码，既有4K分辨率的MIPI解码，也有小到720P分辨率的MIPI解码，既有基于Xilinx平台FPGA的MIPI解码也有基于Altera平台FPGA的MIPI解码，还有基于Lattice平台FPGA的MIPI解码，后续还将继续推出更过国产FPGA的MIPI解码方案，毕竟目前国产化方案才是未来主流，后续也将推出更多MIPI编码的DSI方案，努力将FPGA的MIPI编解码方案做成白菜价。。。
基于此，我专门建了一个MIPI编解码的专栏，并将MIPI编解码的博客都放到了专栏里整理，对FPGA编解码MIPI有项目需求或学习兴趣的兄弟可以去我的专栏看看，专栏地址如下：
点击直接前往专栏

3、本 MIPI CSI2 模块性能及其优越性

一个字：牛逼，表现如下：
1：纯VHDL代码实现，学习性和阅读性达到天花板；
2：移植性还可以，只要兼容Xilinx解串源语的FPGA均可移植；
3：算法达到天花板，标准的CSI2接收协议实现解码；
4：实用性达到天花板，采用IMX214 摄像头作为输入(主要是便宜)，不同于市面上验证性和实验性的工程，本设计直接面向实用工程，贴近真实项目，做类似项目的兄弟可直接拿去用，一个月工资直接拿到手。。。
5：支持高达1920X1080分辨率的MIPI视频解码；
6：时序收敛很到位，考虑到MIPI协议的复杂性和时序的高要求，所以没有采用时序收敛不强的verilog，而是VHDL，虽然阅读性可能会低一些，但用户只需要知道用户接口即可，并不需要去看内部的复杂代码；
7：使用方便，虽然是VHDL代码实现，但均已封装为自定义IP，用户无需关心代码实现的复杂逻辑，仅需调用IP，通过UI界面配置即可使用，当然，如果你想看里面的源码依然可以直接打开观看；
8：同时采集2路非同源时钟的MIPI相机，解码后做2路视频拼接显示，高度符合现实高端项目；

4、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：
在这里插入图片描述

IMX214 摄像头及其配置

我使用到的IMX214 摄像头输出为4 Line MIPI格式，输出分辨率为1080p@60Hz；输出 RAW10数据；FPGA 通过调用AXI-IIC配置IMX214 ，这个操作在SDK软件里完成；

D-PHY 模块

D-PHY采用硬件方案实现，用MC20901芯片(主要是便宜，性能一般)将IMX214 的MIPI信号转换为LVDS信号输出给FPGA，原理框图如下：
在这里插入图片描述

CSI-2-RX 模块

关于MIPI CSI-2-RX，网上介绍原理和概念的文章一大堆，在此不再重复，这里重点介绍用FPGA实现；
我们采用纯VHDL代码实现MIPI CSI-2-RX功能，为了照顾大家不习惯阅读VHDL代码的习惯，我们已经将改部分代码封装成为了自定义IP，用户无需关心代码实现的复杂逻辑，仅需调用IP，通过UI界面配置即可使用，当然，如果你想看里面的源码依然可以直接打开观看；本MIPI CSI-2-RX只能支持4 line的MIPI视频，数据格式支持RAW10；
本工程中的CSI-2-RX自定义IP调用如下：
在这里插入图片描述
MIPI CSI-2-RX纯VHDL源码如下：

Bayer转RGB模块

关于MIPI Bayer转RGB，网上介绍原理和概念的文章一大堆，在此不再重复，这里重点介绍用FPGA实现；
我们采用纯VHDL代码实现MIPI Bayer转RGB功能，为了照顾大家不习惯阅读VHDL代码的习惯，我们已经将改部分代码封装成为了自定义IP，用户无需关心代码实现的复杂逻辑，仅需调用IP，通过UI界面配置即可使用，当然，如果你想看里面的源码依然可以直接打开观看；
本工程中的Bayer转RGB自定义IP调用如下：
在这里插入图片描述
MIPI Bayer转RGB纯VHDL源码如下：

伽马矫正模块

关于MIPI 伽马矫正，网上介绍原理和概念的文章一大堆，在此不再重复，这里重点介绍用FPGA实现；
我们采用纯VHDL代码实现MIPI 伽马矫正功能，为了照顾大家不习惯阅读VHDL代码的习惯，我们已经将改部分代码封装成为了自定义IP，用户无需关心代码实现的复杂逻辑，仅需调用IP，通过UI界面配置即可使用，当然，如果你想看里面的源码依然可以直接打开观看；
本工程中的伽马矫正自定义IP调用如下：
在这里插入图片描述
MIPI 伽马矫正纯VHDL源码如下：

VDMA图像缓存

调用3路VDMA，其中2路只配置为写模式，只需要将视频写入DDE3，另外1路配置为读操作，这样设计的目的是做2路视频拼接，2路VDMA写入图像的DDR地址不同，可以保证图像在内存中地址不冲突，但读出图像时仅需1路VDMA执行读操作即可，这既是常规的设计思路，也是减轻HP接口AXI4总线负载的要求；
配置为只写模式的VDMA如下：
在这里插入图片描述
配置为读模式的VDMA如下：

Video Scaler 图像缓存

调用2个Xilinx官方的Video Scaler 做图像缩放，将输入的1920x1080视频缩小到960x1080；这样做的目的是将2路视频拼接到输出分辨率为1920x1080的显示器上去；Video Scaler的缩放操作在SDK中完成，IP如下：
在这里插入图片描述

HDMI输出

HDMI输出采用silcom9134完成，silcom9134需要i2c配置才能使用，Kintex7调用MicroBlaze通过SDK软件配置，关于silcom9134芯片的配置，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

5、vivado工程详解

PL端FPGA硬件设计

开发板FPGA型号：Xilinx--Kintex7--xc7k325tffg900-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：2路IMX214 MIPI 4 Line RAW10；
输出：HDMI 2分频拼接显示，1080P；
应用：FPGA 纯VHDL解码 IMX214 MIPI 视频，2路视频拼接输出；
工程Block Design如下：
在这里插入图片描述
工程代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

PS端SDK软件设计

SDK C++语言软件代码架构如下：
在这里插入图片描述

6、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件-->另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；
在这里插入图片描述
3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：