基于FPGA的OV5640摄像头图像采集

1.OV5640简介

OV5640是OV（OmniVision）公司推出的一款CMOS图像传感器，实际感光阵列为：2592 x 1944（即500w像素），该传感器内部集成了图像出炉的电路，包括自动曝光控制（AEC）、自动白平衡（ AWB）等。同时该传感器支持LED补光、 MIPI（移动产业处理器接口，多用于手机等）输出接口和DVP（数字视频并行，在设计HDMI显示时，就用的这个）输出接口选择、 ISP（图像信号处理）以及自动聚焦控制（AFC）等功能。

2.OV5640工作原理

OV5640的功能框图如上，可以看到，时序发生器和系统控制逻辑（timing generator and system control logic）控制着感光阵列（image array）、放大器（AMP）、AD转换（10bit）以及输出外部时序信号（PCLK和行场同步信号等）。

感光阵列输出模拟信号，经过AMP增强信号强度，进入到AD转换器，转换成数字信号并经过ISP，进行相关图像处理，最终输出10位DVP数据流或者MIPI数据流。

AMP和ISP等都是由控制寄存器进行控制，而配置寄存器的接口时序就是使用的SCCB，由于OV5640寄存器较多，OV5640寄存器的地址为16位，所以SCCB协议中的寄存器地址为16位。

OV5640摄像头引脚功能描述如下表所示：

注意XCLK引脚，它跟 PCLK是完全不同的，XCLK是用于驱动个传感器芯片的时钟信号，是外部输入到OV5640的信号；而 PCLK是OV5640输出数据时的同步信号，它是由OV5640输出的信号。XCLK可以外接晶振或由外部控制器提供。

OV5640的输出模式如下图所示，我们可以通过对其寄存器的配置来控制不同的工作模式。

3.OV5640寄存器功能介绍

OV5640的寄存器较多，对于其它寄存器的描述可以参OV5640的数据手册。但是，OV5640的数据手册并没有提供全部的寄存器描述，而大多数必要的寄存器配置在OV5640的软件应用手册（《OV5640 Camera Module Software Application Notes》）中可以找到，其中还有相关初始化例程。这里我们只介绍几个关键的寄存器配置。

输出模式设置如下图所示，可以通过配置0x4300这个寄存器控制输出的像素模式包括REG565、YUV422等常用模式。设置输出模式为RGB565时还可以控制输出。

输出像素设置则通过0x3808~0x380b进行控制，方法也非常简单，只需要将期望得到的分辨率转换为16进制数据，再分别写入四个寄存器即可。举个例子，我想要的分辨率为960x540，960转换为16进制数据为3c0，540转换为16进制数据为21c，因此我需要向0x3808中写入03，向0x3809中写入c0，向0x380a中写入02，向0x380b中写入1c。

OV5640的像素时钟计算如图所示

通过图可以看出PCLK是经过图中8个步骤之后得到的频率，以下逐步计算得到PCLK。

OV5640要求输入的时钟频率为6-27MHz,一般情况下输入24MHz，在本次计算中也以24MHz为输入频率；

输入时钟首先经过pre-divider进行分频，分频系数由3037[3:0]确定，在本次计算中3037[3:0]为3，故经过分频之后的输出为24/3=8MHz；

经过pre-divider分频后需要给分频后的时钟做一次倍频，乘法因子为3036[6:0]=0x69=105，经过倍频后的时钟频率为8MHz*105=840MHz;

Sys divider0分频，分频系数为0x3035[7:4]，在demo中的值为1，故没有进行分频；840MHz/1=840MHz;

PLL R divider分频，如果0x3037[4]为高电平，则进行2分频，否则不分频；在demo中3037[4]为1，故二分频；840MHz/2=420MHz;

BIT divider分频，分频系数为0x3034[3:0]，如果是8，则是2分频，如果是A则是2.5分频，如果是其他则为1分频；在demo中0x3034[3:0]为a，故需要进行2.5分频；420MHz/2.5=168MHz;

PCLK divider分频, 分频系数为0x3108[5:4],00:1分频；01:2分频；10:4分频；11:8分频；在demo中0x3108[5:4]=2’b00,故需要进行1分频；168MHz/1=168MHz；

P divider分频，如果是mipi2 lane,则分频系数是0x3035[3:0],如果是DVP 接口则分频系数为2*0x3035[3:0]=2，在demo中0x3035[3:0]=1，故在此是2分频；168MHz/2=84MHz；

Scale divider分频，分频系数为0x3824[4:0],在demo中0x3824[4:0]=2故需要进行2分频，84MHz/4=21MHz。

通过以上分析可以看出在demo中输入时钟为24MHz时，输出时钟为21MHz。

OV5640 的图像输出帧率可以通过修改地址为 0x3035、0x3036、0x3037 的寄存器的值来修改，该寄存器实际上是设置了 OV5640 片上 PLL 的各种分频和倍频系数，例如在典型配置模式下，当输入时钟 XCLK 的信号频率为 24MHz 时，设置 0x3035 寄存器的值为 0x21 可设置输出帧率为30fps，设为0x41可设置输出帧率为15fps、设为0x81可设置输出帧率为7.5fps。

4.SCCB协议

外部控制器对 OV5640 寄存器的配置参数是通过 SCCB 总线传输过去的，而 SCCB 总线跟 I2C 十分类似。

SCCB 的起始、停止信号及数据有效性

起始信号：在 SCL（图中为 SIO_C）为高电平时， SDA(图中为 SIO_D)出现一个下降沿，则 SCCB 开始传输。
停止信号：在 SCL 为高电平时， SDA 出现一个上升沿，则 SCCB 停止传输。
数据有效性：除了开始和停止状态，在数据传输过程中，当 SCL 为高电平时，必须保证 SDA 上的数据稳定，也就是说， SDA 上的电平变换只能发生在 SCL 为低电平的时候，SDA 的信号在 SCL 为高电平时被采集。

在 SCCB 协议中定义的读写操作与 I2C 也是一样的，只是换了一种说法。它定义了两种写操作，即三步写操作和两步写操作。三步写操作可向从设备的一个目的寄存器中写入数据，见下图。在三步写操作中，第一阶段发送从设备的ID地址+W标志(等于 I2C 的设备地址：7位设备地址+读写方向标志)，第二阶段发送从设备目标寄存器的 8 位地址，第三阶段发送要写入寄存器的 8 位数据。图中的“X”数据位可写入 1 或 0，对通讯无影响。而在i2c协议中“X”为从机给主机的响应，若主机未收到从机的响应信号则无法发送后面的数据。

而两步写操作没有第三阶段，即只向从器件传输了设备 ID+W 标志和目的寄存器的地址，见下图。两步写操作是用来配合后面的读寄存器数据操作的，它与读操作一起使用，实现i2c的复合过程。

两步读操作，它用于读取从设备目的寄存器中的数据，见下图。在第一阶段中发送从设备的设备 ID+R 标志(设备地址+读方向标志)和自由位，在第二阶段中读取寄存器中的8 位数据和写 NA 位(非应答信号)。由于两步读操作没有确定目的寄存器的地址，所以在读操作前，必需有一个两步写操作，以提供读操作中的寄存器地址。

总的来说，i2c协议与SCCB协议的主要区别如下：

.SCCB的应答位称为X，表示“don't care”，而i2c应答位称为ACK。

　 .SCCB只能单次读，而i2c除了单次读还支持连续读。

　　.SCCB读操作中间有stop，而i2c读操作中间可以有stop也可以不需要stop。

5.程序设计

OV5640的整体设计框图如图，总共包含三个模块：i2c驱动模块、寄存器配置模块和图像采集模块。

`timescale 1ns / 1psmodule ov5640_top#(parameter   DEVICE_ADDR     =   7'b0111_100     ,                                                   //i2c从机地址parameter   SYS_CLK_FREQ    =   27'd100_000_000  ,                                                  //系统时钟频率parameter   I2C_FREQ        =   19'd400_000,                                                        //i2c时钟频率，400kparameter   PIC_CNT_MAX     =   4'd10,                                                              //舍弃前10帧数据parameter   REG_NUM         =   8'd0250,                                                            //需配置寄存器个数parameter   CNT_WAIT_MAX    =   15'd20000                                                           //寄存器配置等待时间)(input                                                   clk,                                    //系统时钟，100MHzinput                                                   rst_n,                                  //系统复位input                                                   pclk,                                   //ov5640工作时钟input                                                   hsync,                                  //行同步信号input                                                   vsync,                                  //场同步信号input                       [7:0]                       ov5640_din,                             //ov5640输入数据input                                                   init_done,                              //初始化完成信号output                  wire                            ov5640_dout_en,                         //输出图像数据使能信号output                  wire[15:0]                      ov5640_dout,                            //输出16位图像数据output                  wire                            cfg_done,                               //寄存器配置完成信号       inout                   wire                            sda,                                    //i2c数据总线output                  wire                            scl                                     //i2c时钟总线);wire                                                        cfg_1_done;                             //单个寄存器配置完成信号wire                                                        cfg_start;                              //开始配置信号wire                       [23:0]                           cfg_data;                               //寄存器地址+写入数据wire                                                        i2c_clk;                                //i2c驱动时钟  ov5640_data #(.PIC_CNT_MAX ( 4'd10 ))u_ov5640_data (.rst_n                                        ( rst_n && init_done                            ),.pclk                                         ( pclk                                          ),.hsync                                        ( hsync                                         ),.vsync                                        ( vsync                                         ),.ov5640_din                                   ( ov5640_din                                    ),.ov5640_dout_en                               ( ov5640_dout_en                                ),.ov5640_dout                                  ( ov5640_dout                                   )
);ov5640_cfg #(.REG_NUM      ( 8'd0250   ),.CNT_WAIT_MAX ( 15'd20000 ))u_ov5640_cfg (.clk                               ( i2c_clk                            ),.rst_n                             ( rst_n                              ),.cfg_1_done                        ( cfg_1_done                         ),.cfg_start                         ( cfg_start                          ),.cfg_data                          ( cfg_data                           ),.cfg_done                          ( cfg_done                           )
);i2c_drive #(.DEVICE_ADDR  ( 7'b0111_100    ),.SYS_CLK_FREQ ( 27'd100_000_000 ),.I2C_FREQ     ( 19'd400_000    ))u_i2c_drive (.sys_clk                 ( clk                      ),.sys_rst_n               ( rst_n                    ),.i2c_rw                  ( 1'b0                     ),.i2c_start               ( cfg_start                ),.i2c_num                 ( 1'b1                     ),.i2c_addr                ( cfg_data[23:8]           ),.i2c_data_w              ( cfg_data[7:0]            ),.i2c_clk                 ( i2c_clk                  ),.i2c_end                 ( cfg_1_done               ),.i2c_data_r              ( i2c_data_r               ),.scl                     ( scl                      ),.sda                     ( sda                      )
);endmodule

5.1图像采集模块

模块输入信号有5路，输入时钟信号为OV5640_pclk，由OV5640摄像头自带晶振产生并传入，频率24MHz，作为模块工作时钟；复位信号rst_n，低电平有效；OV5640_vsync为摄像头采集图像的场同步信号，可类比与VGA场同步信号，只在同步阶段为高电平，其他时刻保持低电平；OV5640_hsync为行有效图像使能信号，信号只有采集图像行有效显示区域为高电平，其他时刻为低电平；最后的OV5640_data为摄像头采集到的图像数据，要注意的是，OV5640_data位宽为8bit，采集的图像数据分两次传入模块，先传入图像数据高字节，下个时钟周期传入低字节。

系统上电后，摄像头刚采集的前几帧图像数据不太稳定，要先舍弃前10帧图像，之后的图像才能用于显示。为了舍弃前10帧图像，我们需要声明几个变量。首先要舍弃前10帧图像，需要一个计数器来计数，声明计数器pic_cnt对输入图像帧数进行计数；接下来就要考虑以什么为标志进行计数，这时我们想到每帧图像的传入，帧同步信号必不可少，那么声明帧同步信号寄存信号vsync_r，此信号延后帧同步信号一个时钟周期，利用两信号产生帧同步信号下降沿pic_flag，作为帧计数器pic_cnt的计数标志信号，该信号每拉高一次计数器自加1；声明帧有效信号pic_valid，当计数器计数到第10帧，pic_flag为高电平，将帧有效信号拉高并始终保持高电平。

前面说到，像素点图像信息并不是在一个时钟周期传入，而是在第一个时钟周期传入高8位，下一个时钟周期传入低8位，所以要正确显示图像就需要对传入图像数据进行拼接。实现数据拼接就需要声明若干变量。需要先声明一个寄存器对图像数据的高字节进行数据缓存，待低字节数据传入时，将图像数据进行拼接。首先声明寄存器OV5640_din_r对高字节数据进行缓存；声明标志信号data_flag控制数据缓存与拼接，在hsync信号有效时，标志着输入图像数据有效，data_flag不断取反，当其为低电平时对高字节数据进行缓存，当其为高电平时对数据进行拼接。将拼接后的数据赋值给OV_5640_dout_r。

`timescale 1ns / 1psmodule ov5640_data#(parameter PIC_CNT_MAX                 =                 4'd10                               //舍弃前10帧数据)(input                                                   rst_n,                              //系统复位input                                                   pclk,                               //ov5640工作时钟input                                                   hsync,                              //行同步信号input                                                   vsync,                              //场同步信号input                       [7:0]                       ov5640_din,                         //ov5640输入数据output                  wire                            ov5640_dout_en,                     //输出图像数据使能信号output                  wire[15:0]                      ov5640_dout                         //输出16位图像数据);wire                                                        pic_flag;                           //帧图像标志信号，拉高一次标志一帧图像传输完成reg                                                         vsync_r;                            //场同步信号打拍reg                             [7:0]                       ov5640_din_r;                       //暂存输入8位数据reg                             [15:0]                      ov5640_dout_r;                      //暂存输出16位数据reg                                                         pic_valid;                          //帧图像有效信号   reg                             [9:0]                       pic_cnt;                            //帧图像计数器reg                                                         data_flag;                          //图像拼接标志reg                                                         data_flag_r;                        //图像拼接标志打拍always @(posedge pclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)vsync_r <= 1'b0;else vsync_r <= vsync;endalways @(posedge pclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)pic_cnt <= 10'd0;else if(pic_cnt < PIC_CNT_MAX && pic_flag == 1'b1)pic_cnt <=pic_cnt + 1'b1;elsepic_cnt <= pic_cnt;endalways @(posedge pclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)pic_valid <= 1'b0;else if(pic_cnt == PIC_CNT_MAX && pic_flag == 1'b1)pic_valid <= 1'b1;elsepic_valid <= pic_valid;endalways @(posedge pclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)begindata_flag <= 1'b0;ov5640_din_r <= 8'd0;ov5640_dout_r <= 16'd0;endelse if(hsync)begindata_flag <= ~data_flag;ov5640_din_r <= ov5640_din;ov5640_dout_r <= ov5640_dout_r;if(data_flag)ov5640_dout_r <= {ov5640_din_r,ov5640_din};                                         //像素数据拼接else ov5640_dout_r <= ov5640_dout_r;endelse begindata_flag <= 1'b0;ov5640_din_r <= 8'd0;ov5640_dout_r <= ov5640_dout_r;endendalways @(posedge pclk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)data_flag_r <= 1'b0;elsedata_flag_r <= data_flag;endassign pic_flag = (vsync == 1'b1 && vsync_r == 1'b0) ? 1'b1 : 1'b0;assign ov5640_dout = (pic_valid == 1'b1) ? ov5640_dout_r : 16'd0;assign ov5640_dout_en = (pic_valid == 1'b1) ? data_flag : 1'b0;endmodule

5.2SCCB协议

由于SCCB协议与i2c协议非常相似，因此我们可以将i2c协议稍加改动便可进行寄存器配置，利用之前的i2c驱动模块，将应答信号直接拉高即可。然后还要将器件地址改成OV5640的器件地址，即0111_100。

module  i2c_drive
#(parameter   DEVICE_ADDR     =   7'b0111_100     ,   //i2c从机地址parameter   SYS_CLK_FREQ    =   27'd100_000_000  ,   //系统时钟频率parameter   I2C_FREQ        =   19'd400_000         //i2c时钟频率，400k
)
(
//系统接口input		        sys_clk     ,   			//输入系统时钟,100MHzinput		        sys_rst_n   ,   			//输入复位信号,低电平有效
//I2C时序控制接口				input				i2c_rw		,				//读写使能信号----1:读；0：写input		        i2c_start   ,   			//i2c开始信号input		        i2c_num    	,   			//i2c字节地址字节数----1：16位；0：8位input		[15:0]  i2c_addr   	,   			//i2c字节地址input		[7:0]   i2c_data_w	,   			//写入i2c数据output  reg			i2c_clk     ,   			//i2c驱动时钟output  reg			i2c_end     ,   			//i2c一次读/写操作完成output  reg	[7:0]   i2c_data_r  ,   			//i2c读取数据
//I2C物理接口				output  reg			scl     	,   			//输出至i2c设备的串行时钟信号sclinout   wire		sda         				//输出至i2c设备的串行数据信号sda
);		//状态机定义		
localparam	IDLE 			= 4'd0,					//初始化状态START1			= 4'd1,					//发送开始信号状态1SEND_D_ADDR_W 	= 4'd2,					//设备地址写入状态 + 控制写ACK1			= 4'd3,					//等待从机响应信号1SEND_R_ADDR_H	= 4'd4,					//发送寄存器地址高8位ACK2			= 4'd5,					//等待从机响应信号2SEND_R_ADDR_L	= 4'd6,					//发送寄存器地址低8位ACK3			= 4'd7,					//等待从机响应信号3WR_DATA         = 4'd08,  				//写数据状态ACK4            = 4'd09,  				//应答状态4START2          = 4'd10,  				//发送开始信号状态12SEND_D_ADDR_R   = 4'd11,  				//设备地址写入状态 + 控制读ACK5            = 4'd12,  				//应答状态5RD_DATA         = 4'd13,  				//读数据状态NACK            = 4'd14,  				//非应答状态STOP            = 4'd15;  				//结束状态//根据系统频率及IIC驱动频率计算分频系数			
localparam	CLK_DIVIDE = SYS_CLK_FREQ / I2C_FREQ >> 2'd3;	//reg定义			
reg	[9:0]	clk_cnt			;						//分频时钟计数器，最大计数1023			
reg	[3:0]	cur_state		;						//状态机现态	 
reg	[3:0]	next_state		;						//状态机次态	
reg			i2c_clk_cnt_en	;			 			//驱动时钟计数使能
reg	[1:0]	i2c_clk_cnt		;			 			//驱动计数时钟，方便在SCL的高电平中间采集数据；和在SCL的低电平中间变化数据
reg			sda_out			;						//IIC总线三态输出
reg			sda_en			;						//IIC总线三态门使能
reg [2:0]	bit_cnt			;						//接收数据个数计数器
reg			ack_flag		;						//应答信号标志
reg	[7:0]	i2c_data_r_temp	;						//读取数据寄存器，暂存读到的数据//wire定义		
wire		sda_in			;						//IIC总线三态输入
wire [7:0]	addr_r			;						//器件地址+读控制位
wire [7:0]	addr_w			;						//器件地址+写控制位assign addr_r = {DEVICE_ADDR,1'b1};					//器件地址+读控制位
assign addr_w = {DEVICE_ADDR,1'b0};					//器件地址+写控制位//双向口处理
assign sda_in = sda;				
assign sda = sda_en ? sda_out : 1'bz;//scl4分频时钟=IIC驱动时钟i2c_clk，方便操作对采集数据及变化数据操作
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)beginif(~sys_rst_n)begini2c_clk <= 1'b0;clk_cnt <= 10'd0;endelse if(clk_cnt == CLK_DIVIDE - 1'b1)begini2c_clk <= ~i2c_clk;clk_cnt <= 10'd0;		endelse begini2c_clk <= i2c_clk;clk_cnt <= clk_cnt + 1'd1;	end
end//i2c_clk计数器使能
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)i2c_clk_cnt_en <= 1'b0;//只有在发送完了结束信号或者没有接收到IIC开始传输信号的初始状态下才不停对i2c_clk计数器复位（使能为0）else if ((cur_state == STOP && i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 2'd3)||(cur_state == IDLE && !i2c_start ))i2c_clk_cnt_en <= 1'b0; else if(i2c_start)							i2c_clk_cnt_en <= 1'b1;							//接收到开始信号，代表一次传输开始，计数器开始计数else											i2c_clk_cnt_en <= i2c_clk_cnt_en;				//其他时候保持不变
end//i2c_clk_cnt计数器
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(!sys_rst_n)i2c_clk_cnt <= 2'd0;else if(i2c_clk_cnt_en)						i2c_clk_cnt <= i2c_clk_cnt + 1'd1;				//使能信号有效，计数器开始计数else		i2c_clk_cnt <= 2'd0;							//使能信号无效，计数器清零
end//三段式状态机第一段
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(~sys_rst_n)cur_state <= IDLE;elsecur_state <= next_state;
end//三段式状态机第二段
always@(*)beginnext_state = IDLE;case(cur_state)IDLE:if(i2c_start)next_state = START1;					//接收到开始信号，跳转到发送起始信号状态elsenext_state = IDLE;START1:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)						//i2c_clk 计数到最大值3，跳转到发送器件地址+写标志位状态next_state = SEND_D_ADDR_W;elsenext_state = START1;SEND_D_ADDR_W:if(i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 3'd7)	//发送了8位地址后跳转到从机响应状态next_state = ACK1;	elsenext_state = SEND_D_ADDR_W;			ACK1:if(ack_flag && i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//响应标志有效//根据地址状态位判断是16位地址还是8位地址，从而跳转到不同状态if(i2c_num)								//16位地址next_state = SEND_R_ADDR_H;			//跳转到寄存器高8位地址发送状态else									//8位地址next_state = SEND_R_ADDR_L;			//跳转到寄存器低8位地址发送状态end	else if(i2c_clk_cnt == 2'd3)				//响应无效或者响应不及时则跳转回初始状态next_state = IDLE;else next_state = ACK1;SEND_R_ADDR_H:									if(i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 3'd7)	//发送了寄存器高8位地址后跳转到从机响应状态next_state = ACK2;else										next_state = SEND_R_ADDR_H;ACK2:if(ack_flag && i2c_clk_cnt == 2'd3)			next_state = SEND_R_ADDR_L;				//响应标志有效则跳转到寄存器低8位地址发送状态else if(i2c_clk_cnt == 2'd3)				//响应无效或者响应不及时则跳转回初始状态next_state = IDLE;	elsenext_state = ACK2;SEND_R_ADDR_L:if(i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 3'd7)	//发送了寄存器低8位地址后跳转到从机响应状态next_state = ACK3;elsenext_state = SEND_R_ADDR_L;ACK3:if(ack_flag && i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//响应标志有效	if(i2c_rw)								//读状态next_state = START2;				//跳转到第二次发送起始信号else									//写状态next_state = WR_DATA;				//跳转到写数据状态endelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)				next_state = IDLE;						//响应无效或者响应不及时则跳转回初始状态elsenext_state = ACK3;START2:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)						next_state = SEND_D_ADDR_R;				//第二次发送起始信号后跳转到发送器件地址+读标志位状态elsenext_state = START2;SEND_D_ADDR_R:if(i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 3'd7)	//发送完了8位地址后跳转到从机响应状态next_state = ACK5;	elsenext_state = SEND_D_ADDR_R;			ACK5:if(ack_flag && i2c_clk_cnt == 2'd3)			next_state = RD_DATA;                   //响应标志有效则跳转到读数据状态else if(i2c_clk_cnt == 2'd3)                next_state = IDLE;				        //响应无效或者响应不及时则跳转回初始状态else                                        next_state = ACK5;		RD_DATA:if(i2c_clk_cnt == 2'd3 && bit_cnt == 3'd7)	//接收完了8位数据后跳转到主机发送非响应状态next_state = NACK;elsenext_state = RD_DATA;		NACK:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)						next_state = STOP;						//发送完了非响应信号后跳转到发送结束信号状态elsenext_state = NACK;						WR_DATA:if(bit_cnt == 3'd7 && i2c_clk_cnt == 2'd3)	next_state = ACK4;						//写完了8位数据后跳转到从机响应状态elsenext_state = WR_DATA;ACK4:if(ack_flag && i2c_clk_cnt == 2'd3)next_state = STOP;						//响应标志有效则跳转到发送结束信号状态else if(i2c_clk_cnt == 2'd3)next_state = IDLE;						//响应无效或者响应不及时则跳转回初始状态elsenext_state = ACK4;STOP:if(bit_cnt == 2'd3 && i2c_clk_cnt == 2'd3)	//结束信号发送完毕（这里还预留了2个周期）跳转到初始状态，等待下一次传输开始信号next_state = IDLE;elsenext_state = STOP;		default:next_state = IDLE;endcase
end//三段式状态机第三段
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(~sys_rst_n)begin								//初始状态sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;bit_cnt	<= 3'd0;i2c_end <= 1'b0;i2c_data_r <= 8'd0;i2c_data_r_temp <= 8'd0;endelse begini2c_end <= 1'b0;case(cur_state)IDLE:beginsda_en <= 1'b1;						//控制总线sda_out <= 1'b1;					//拉高总线end	START1:beginif(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//发送完了开始信号if(addr_w[7])begin			//如果器件地址的最高位为1则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;													endelse begin					//如果器件地址的最高位为0则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;												endendelse begin						//还没发送完开始信号则保持低电平sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;					endend	SEND_D_ADDR_W:beginif(bit_cnt == 3'd7)begin			if(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//发送了8个数据（器件地址+写标志位）bit_cnt <= 3'd0;			//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b0;				//释放总线endendelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//发送完了一个数据bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;		//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b1;					//控制总线sda_out <= addr_w[6-bit_cnt];	//总线依次串行输出地址endendACK1:beginif(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin				if(i2c_num)begin				//如果器件地址为16位if(i2c_addr[15])begin		//如果器件地址的16位为1则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;	endelse begin					//如果器件地址的16位为0则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;	endendelse begin						//如果器件地址为8位if(i2c_addr[7])begin		//如果器件地址的8位为1则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;	endelse begin					//如果器件地址的8位为0则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;	endend			end endSEND_R_ADDR_H:beginif(bit_cnt == 3'd7)begin			//8个数据发送完了if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= 3'd0;			//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b0;				//释放总线endendelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;		//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b1;                 //控制总线sda_out <= i2c_addr[14-bit_cnt];//总线依次串行输出地址end			endACK2:beginif(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginif(i2c_addr[7])begin			//下一个要发送数据的首个数据为高则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;													endelse begin						//下一个要发送数据的首个数据为低则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;												end				endend	SEND_R_ADDR_L:begin	if(bit_cnt == 3'd7)begin				//8个数据发送完了if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= 3'd0;				//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b0;					//释放总线endendelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;		//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b1;                 //控制总线sda_out <= i2c_addr[6-bit_cnt]; //总线依次串行输出地址end			endACK3:beginif(!i2c_rw)begin					//是写操作if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginif(i2c_data_w[7])begin		//下一个要发送数据的首个数据为高则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;													endelse begin					//下一个要发送数据的首个数据为低则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;												end				end endelse begin							//是读操作if(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin	//提前拉高总线进入再次发送起始信号状态sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;								endelse beginsda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;												end				endendSTART2:beginif(i2c_clk_cnt == 2'd1)begin		//拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;						endelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginif(addr_r[7])begin				//下一个要发送数据的首个数据为高则提前拉高总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;													endelse begin						//下一个要发送数据的首个数据为低则提前拉低总线sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b0;												end						endendSEND_D_ADDR_R:beginif(bit_cnt == 3'd7)begin				//8个数据发送完了if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= 3'd0;				//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b0;					//释放总线endendelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;		//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b1;                 //控制总线sda_out <= addr_r[6-bit_cnt];   //总线依次串行输出地址endend		ACK5:sda_en <= 1'b0;							//下一个状态是接收数据，所以释放总线RD_DATA:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginif(bit_cnt == 3'd7)begin			//接收了8个数据bit_cnt <= 3'd0;				//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b1;					//控制总线sda_out <= 1'b1;                //拉高总线（为了下一步发送非响应信号）i2c_data_r <= i2c_data_r_temp;	//将读取的数据输出						endelse begin							//数据还未接收完毕		bit_cnt <= bit_cnt + 3'd1;				end				endelse if(i2c_clk_cnt == 2'd1)begin		//在SCL的中间采集数据i2c_data_r_temp[7-bit_cnt] <=sda_in;//将总线上的数据依次串行采集				end							NACK:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin			sda_en <= 1'b1;						//控制总线sda_out <= 1'b0;					//拉高总线																					end				WR_DATA:if(bit_cnt == 3'd7)begin				//写完了8个数据if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginbit_cnt <= 3'd0;				//发送数据计数器清零sda_en <= 1'b0;					//释放总线endendelse if(i2c_clk_cnt == 2'd3)begin		//没有写完8个数据bit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;			//发送数据计数器累加sda_en <= 1'b1;sda_out <= i2c_data_w[6-bit_cnt];	//依次输出数据end	ACK4:if(i2c_clk_cnt == 2'd3)beginsda_en <= 1'b1;						//控制总线sda_out <= 1'b0;					//拉低总线（为了下一步发送终止信号）																					end				 STOP:				if(i2c_clk_cnt == 2'd2 && bit_cnt == 2'd0)begin	//拉高信号作为终止信号	sda_en <= 1'b1;sda_out <= 1'b1;																									endelse if( i2c_clk_cnt == 2'd3 )beginif(bit_cnt == 2'd3)begin					bit_cnt <= 2'd0;i2c_end <= 1'b1;				//发送完了终止信号且延时一段时间发送IIC结束信号endelsebit_cnt <= bit_cnt + 1'd1;enddefault:;endcaseend
end//i2c时钟生成
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(~sys_rst_n)scl <= 1'b1;else if(cur_state != STOP)beginif(i2c_clk_cnt == 2'd2)scl <= 1'b0;else if(i2c_clk_cnt == 2'd0)scl <= 1'b1;	endelse scl <= 1'b1;
end
//从机响应信号标志
always@(posedge i2c_clk or negedge sys_rst_n)beginif(~sys_rst_n)ack_flag <= 1'b0;else case(cur_state)ACK1,ACK2,ACK3,ACK4,ACK5://if(i2c_clk_cnt == 2'd1 && !sda_in)		//在从机响应状态正确接收到了从机发送的响应信号则拉高响应标志ack_flag <= 1'b1;//else if(i2c_clk_cnt == 2'd3)			//	ack_flag <= 1'b0;default:ack_flag <= 1'b0;endcase
endendmodule

6.仿真结果

总体仿真如上图所示，可以看到每一帧图像传输完成，场同步信号拉高一次，并且前10帧图像会被舍弃。

摄像头数据传输仿真如上图所示，使能信号每翻转一次进行一次数据拼接。

寄存器配置如上图所示，不需要从机发送应答信号。

7.问题总结

本次代码还未进行板级验证，先说一说仿真遇到的问题，其他问题后续再进行补充，首先就是方针过程中出现了如下图所示的情况。行同步信号和场同步信号出现了未知态，原因是有两个驱动，我的testbench是自动生成的因此开始会将两个信号的值赋0，后面我再对其进行赋值就会出现未知态。还有就是寄存器的配置，在网上找了很多资料都没有一个确定的答案，可能文中的说法也会有错，欢迎大家批评指正，代码参考正点原子。