基于FPGA的板级双目工业相机系统设计

1.需求分析

本项目旨在设计一款小而美的USB3.0双目工业相机

2.硬件设计

2.1 器件选型

2.1.1 FPGA选型

本次设计采用了XC7A50T-1FTG256I，首先该封装体积小，引脚间距大，方便焊接，其内部逻辑资源完全足够。

2.1.2 USB控制器选型

本次设计采用了FT601Q USB3.0 FIFO芯片作为 数据传输接口，回环实测速度在350MByte/S。

2.1.3 图像传感器选型

本次设计采用了MIPI接口的黑白SC130GS图像传感器，1280*1024分辨率，4um像元尺寸，帧率240hz，4laneMIPI接口。

2.1.4 电源芯片选型

电源芯片采用了集成电感的DCDC TPS82130SILR，可以节省一些面积，但是提高了焊接难度。对于这种封装，手动焊接方法如下：

（1）每个焊盘均匀上锡

（2）抹一层助焊剂，放芯片

（3）热风枪加热焊接

FPC座子焊接也可以参照上述过程。

2.2 方案设计

2.2.1 BANK功能划分

（1）BANK14 BANK34 两组包含了USB3.0 按键 指示灯 以及MIPIC MIPID接口的控制信号，电压为固定3.3V

（2）BANK15 用于连接DDR3，电压为固定1.5V

  (3)  BANK35 用于连接四个MIPI接口和MIPIA MIPIB接口的控制信号，电压为固定2.5V

2.2.2 摄像头采集方案

SC130GS MIPI接口在实际使用过程中，发现MIPI仅有HS信号，没有LP信号，因此本次设计中未使用电阻网络或者电平转换芯片（MC20901），对于其他型号的MIPI接口sensor，如果不加电阻网络或者MIPI转LVDS的电平转换芯片，会有大问题。

对于本次设计的SC130GS摄像头板，控制信号主要包含PWDN，I2C_SCL，I2C_SDA，Trig0。电平均为1.8V，因此在FPGA主控板必须要增加四个四通道电平转换芯片，匹配两端的电平，MIPIA MIPIB这一组接口采用2.5V转1.8V，MIPIC MIPID这一组接口采用3.3V转1.8V。

2.3 原理图设计

FPGA主控板原理图主要包含四部分，FPGA最小系统设计(含按键 LED)、DDR3设计、USB3.0控制器设计、摄像头接口设计。详见工程原理图。

摄像头原理图主要为图像传感器外围电路设计、接口电路设计以及电源电路设计。

除此之外还设计了xilinx下载器及转接板、FPC转HDMI转接板。

2.软件设计

2.1 FPGA开发

FPGA设计中主要包含图像采集模块，摄像头控制模块，图像缓存模块，图像传输模块。MIPI采集可使用github的开源mipi源代码，也可以使用奥唯思 XC7A100T板卡资料中的MIPI网表。USB3.0数据采集控制使用了米联客 FT601Q的FDMA采集方案。

第一次使用USB3.0，必须要配置FT601Q进入到245FIFO模式。使用FT600ChipConfigurationProgUtility该软件操作。

2.2 上位机开发

本次设计基于米联客 FT601Q的FDMA采集方案中的上位机进行二次开发，增加了摄像头曝光时间及增益控制功能。

2.3 焊接完成效果

（1）FPGA主控

（2）FPC转HDMI

（3）使用了CNC外壳的版本

3.系统测试

（1）原始图像显示效果

（2）水平翻转显示效果

（3）垂直翻转显示效果

（4）扩大增益显示效果

（5）FT601Q回环测速

（7）FT601Q 4路视频流采集显示

详细文档可以参考上传的使用说明文档。

版本说明：

V1.0为初始版本

V1.1版本变更记录 
1.DDR3_D9引脚从H12修改为G15
2.DDR3_DM1引脚从G12修改为H12
3.DDR3_A4引脚从D9修改为D10
4.留出DDR_VREF引脚接到外部0.75V,当使用xc7a50tftg256-3 芯片时,DDR3速度可以到达1066MBPS,此时必须选用外部VREF
5.增加G11引脚作为LED输出
6.V1.0版本可实现任意双目(2560X1024)图像采集以及任意三目(3840X1024)图像采集,当采集全画幅四目图像时,由于DDR3有效带宽不足,无法正常缓存图像
因此在V1.1版本,FPGA可以选用-3等级的型号,同时在MIG IP核中将DDR3数据速率设置到1066MHZ,以此来增加DDR3有效带宽,四目采集(2560*2048/5120*1024)已验证

V1.2版本变更记录

1.去掉所有摄像头FPC接口，使用BTB连接器更为通用，可以根据个人需求设计各类子卡连接。

2.BANK15 所有IO均做了差分等长

3.BTB引出1.5V 1.8V 2.5V 3.3V 5V 五组电平

4.使用单端IO时，注意其电平