FPGA高端项目：解码索尼IMX327 MIPI相机转USB3.0 UVC 输出，提供FPGA开发板+2套工程源码+技术支持

1、前言

FPGA图像采集领域目前协议最复杂、技术难度最高之一的应该就是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Kintex7-325T中端FPGA开发板，采集IMX327 MIPI摄像头的4 Lane MIPI视频，IMX327 摄像头配置为 MIPI4 Lane RAW12模式，输出有效分辨率为1920x1080@60Hz；IMX327 MIPI摄像头引脚经过权电阻方案分出LP电路后接入FPGA的HS BANK的LVDS差分IO；采用自定义的MIPI CSI RX解码IP实现MIPI的D_PHY+CSI_RX功能，输出AXI4-Stream格式的RAW12颜色视频，该IP由本博免费提供；至此，MIPI视频解码工作完成，但此时的视频还是原始的RAW12格式，远远达不到输出显示要求，所以还需进行图像处理操作，也就是图像ISP操作；本博提供及其完整的图像ISP，具体流程包括Bayer转RGB888、自动白平衡、色彩校正、伽马校正、RGB888转YCrCb444、图像增强、YCrCb444转RGB888、YCrCb444转YCrCb422等一系列操作；经过ISP处理后的图像颜色饱满、画质清晰，输出YCrCb422格式的视频；然后再使用本博提供的图像缓存架构将视频缓存到板载的DDR3中；再使用本博提供的UVC视频时序将视频从DDR3中读出；再将UVC视频送入板载的CYUSB3014-BZXI芯片，通过板载的USB3.0接口发送出去；CYUSB3014-BZXI芯片在Win10下可以免驱使用，用USB3.0数据线连接FPGA开发板和笔记本电脑，打开电脑自带的摄像头软件，选择本开发板的摄像头，即可显示IMX327 MIPI摄像头解码采集的视频了；针对目前市面上主流的索尼IMX系列相机，本方案一共移植了2套工程源码，本博文介绍其中基于索尼IMX327相机的2套工程，详情如下：

这里说明一下提供的2套工程源码的作用和价值，如下：
工程源码1：Xilinx Kintex7-325T FPGA 解码索尼的 IMX327 MIPI相机，IMX327 被配置为 4 Lane RAW12 1080P分辨率；经FPGA解码、ISP图像处理、图像缓存、UVC时序同步等操作后，通过板载的USB3.0接口输出；本工程的相机接在配套FPGA开发板的P4接口，该接口的相机通过螺丝固定，相机不可独立移动；

工程源码2：Xilinx Kintex7-325T FPGA 解码索尼的 IMX327 MIPI相机，IMX327 被配置为 4 Lane RAW12 1080P分辨率；经FPGA解码、ISP图像处理、图像缓存、UVC时序同步等操作后，通过板载的USB3.0接口输出；本工程的相机接在配套FPGA开发板的P3接口，该接口的相机通过FPC软排线连接，相机可独立移动；

相机在FPGA开发板P3和P4口的连接方式如下图：

免责声明

本工程源码只是本博提供的FPGA高端图像处理开发板的测试例程使用，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官网以及其他开源免费获取渠道等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；部分模块源码转载自上述网络，版权归原作者所有，如有侵权请联系我们删除；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、相关方案推荐

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 CSI-RX IP 介绍

本设计采用自定义的MIPI CSI RX解码IP实现MIPI的D_PHY+CSI_RX功能，输出AXI4-Stream格式的RAW12颜色视频，该IP由本博免费提供；该IP目前只适用于Xilinx A7及其以上系列器件，支持的 4 lane RAW12图像，输入分辨率最高支持4K @30帧；IP UI配置界面如下：

该自定义IP只提供网表不提供源码，但用户依然可以自由使用，和使用Xilixn官方的 MIPI CSI-2 RX Subsystem一样，没有本质区别，因为MIPI CSI-2 RX Subsystem也是看不到源码的；MIPI CSI-RX IP资源消耗如下：

4、个人 FPGA高端图像处理开发板简介

本博客提供的工程源码需配合本博提供的FPGA高端图像处理开发板才能使用，亦或者读者自己拿去移植，但本博推荐使用本博客提供的工程源码需配合本博提供的FPGA高端图像处理开发板，该开发板截图如下：

此开发板专为高端FPGA图像处理设计，适合公司项目研发、研究所项目预研、高校项目开发、个人学习进步等场景需求，本博之前专门写过一篇博文详细介绍了该开发板的情况，感兴趣的请移步那篇博文，博客地址如下：
点击直接前往

5、详细设计方案

设计原理框图

设计原理框图如下：

IMX327 及其配置

本设计使用本博提供的专用SONY公司的 IMX327 MIPI相机，该相机输出分辨率达到了1920x1080，采用焦距可调的镜头，清晰度极高，适用于高端项目开发，相机截图如下：

IMX327 MIPI相机需要 i2c配置才能正确使用，本设计调用本博自定义的i2c主机IP实现对IMX327的配置，该IP挂载与AXI-Lite总线上，通过MicroBlaze软核运行的C语言代码实现配置，此外，本博还设计了自动曝光程序，实时读取IMX327 RAW12像素，通过写IMX327对应寄存器的方式实现实时的自动曝光算法，使得IMX327在暗黑的环境下也能输出明亮的图像；

本博提供的FPGA开发板有两个MIPI CSI-RX接口，分别位于P3、P4接口，因此可以接两个MIPI相机，其中，P4接口的相机采用螺丝固定方式连接，适用于FPGA开发板需要移动的项目，如小车等；P3接口的相机采用FPC软排线方式连接，适用于FPGA开发板不需要移动的项目，如固定检测等，具体连接方式如下图：

MIPI CSI RX

本设计采用自定义的MIPI CSI RX解码IP实现MIPI的D_PHY+CSI_RX功能，输出AXI4-Stream格式的RAW12颜色视频，该IP由本博免费提供；该IP目前只适用于Xilinx A7及其以上系列器件，支持的 4 lane RAW12图像，输入分辨率最高支持4K @30帧；IP UI配置界面如下：

该自定义IP只提供网表不提供源码，但用户依然可以自由使用，和使用Xilixn官方的 MIPI CSI-2 RX Subsystem一样，没有本质区别，因为MIPI CSI-2 RX Subsystem也是看不到源码的；

图像 ISP 处理

本博提供及其完整的图像ISP，具体流程包括Bayer转RGB888、自动白平衡、色彩校正、伽马校正、RGB888转YCrCb444、图像增强、YCrCb444转RGB888、YCrCb444转YCrCb422等一系列操作；经过ISP处理后的图像颜色饱满、画质清晰，输出YCrCb422格式的视频；图像 ISP 处理在工程 Block Design中如图：

这些IP均为Xilinx的免费IP，有的需要配置才能使用，在MicroBlaze软核运行的C语言代码已经提供了配置程序；

图像缓存

本设计使用本博提供的图像缓存读写IP实现视频缓存，该IP由纯verilog代码实现，用户接口为AXI4-Stream，可替换Xilinx官方的VDMA，本博已将他封装为自定义IP；图像缓存模块IP在工程 Block Design中如图：

需要注意的是，图像缓存架构需调用Xilinx的 MIG IP才能实现与DDR3的物理层交互；

UVC 时序

UVC 时序用于控制视频读出DDR3的时序，然后将读出的视频送入 USB3.0输出架构，UVC 时序很简单，与常用的VGA时序差不多，由纯verilog代码实现，将模块顶层代码拖入 Block Design中，如图：

USB3.0输出架构

UVC视频送入板载的CYUSB3014-BZXI芯片，通过板载的USB3.0接口发送出去；CYUSB3014-BZXI芯片在Win10下可以免驱使用，用USB3.0数据线连接FPGA开发板和笔记本电脑，打开电脑自带的摄像头软件，选择本开发板的摄像头，即可显示IMX327 MIPI摄像头解码采集的视频了；打开笔记本电脑的设备管理器，即可看到本开发板的USB3.0设备，如下：

打开电脑自带的摄像头软件后输出如下：

FPGA逻辑设计工程源码架构

提供的两套工程源码代码架构都一样，只是引脚约束不同；
工程Block Design如下：

由于调用IP较多，分散开来很不好看，也不利于阅读，本博将一些IP进行了再封装，如下图中红框标记部分，该封装只是形式上的好看而已，没有特殊功能，可以通过如下方法将其展开，查看里面的详细组成和结构，如下：

工程代码架构如下：

SDK软件工程源码架构

提供的两套工程源码代码架构都一样，只是引脚约束不同；
SDK软件工程源码架构如下：

6、工程源码1–>P4口相机

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex7–xc7k325tffg676-2；
开发环境：Vivado2019.1；
相机接口：开发板P4口，固定螺丝连接，相机不可自由移动；
输入：IMX327摄像头–MIPI–4 Lane–RAW12-1920x1080；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080；
应用：FPGA高端项目：IMX327 MIPI 视频解码 USB3.0 UVC 输出；
工程源码架构请参考第五章节的“FPGA逻辑设计工程源码架构”和“SDK软件工程源码架构”
工程的资源消耗和功耗如下：

7、工程源码2–>P3口相机

开发板FPGA型号：Xilinx–Kintex7–xc7k325tffg676-2；
开发环境：Vivado2019.1；
相机接口：开发板P3口，FPC软排线连接，相机可自由移动；
输入：IMX327摄像头–MIPI–4 Lane–RAW12-1920x1080；
输出：USB3.0，分辨率1920x1080；
应用：FPGA高端项目：IMX327 MIPI 视频解码 USB3.0 UVC 输出；
工程源码架构请参考第五章节的“FPGA逻辑设计工程源码架构”和“SDK软件工程源码架构”
工程的资源消耗和功耗同工程源码1一致；

8、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；

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：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

9、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：
本博提供的专用FPGA开发板；
本博提供的专用IMX327摄像头；
USB3.0连接线；
笔记本电脑；

图像输出演示

仅演示连接在P4口相机的图像输出，如下：

注意！
注意！
注意！
1、USB线一定要是3.0的，区别方法是USB口内部的塑料件是蓝色的，对应的，电脑的USB口也必须是3.0的；
2、USB线与电脑连接，一定要是直连，不能有转接的HUB，也就是开发板与电脑USB口直连；
3、电脑操作系统一定要是Windows10；
4、打开电脑自带的摄像头软件后，一定要选择“EZ-Camera！”；

10、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：