FPGA解码MIPI视频：Xilinx Artix7-35T低端FPGA，基于MIPI CSI-2 RX Subsystem架构实现，提供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 Artix7-35T低端FPGA开发板采集OV5640摄像头的2Line MIPI视频，本方案最大的价值就是在低端的、资源紧凑型的、项目预算不高等条件下选用的Xilinx Artix7-35T FPGA上实现了MIPI视频解码，解决了行业目前在该领域的空白；OV5640摄像头配置为MIPI模式，RAW10数据格式，MIPI引脚经过权电阻分离出LP电路后接入FPGA的HS BANK的LVDS差分IO；调用Xilinx的MIPI CSI-2 RX Subsystem IP实现MIPI的D_PHY+CSI_RX2功能，该IP由Xilinx免费提供，将MIPI视频解码后以AXIS视频流格式输出；此时的视频是原始的RAW10数据，输出路径有两种，一种是经DDR缓存后依然以RAW10数据输出HDMI显示器，只不过图像为黑白色；另一种是DDR缓存后再经过Bayer转RGB和伽马校正（isp处理）后以RGB888数据输出HDMI显示器，区别是图像为彩色的；两种路径通过isp模块的parameter参数设置；默认使用isp处理；针对目前市面上主流的FPGA，本Xilinx系列FPGA解码OV5640-MIPI视频方案一共移植了15套工程源码，本博文介绍其中基于Artix7-35T低端FPGA 的1套工程，详情如下：

本文详细描述了Xilinx Artix7-35T低端FPGA解码MIPI视频的设计方案，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、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

本方案在Xilinx Artix7-100T上解码MIPI视频的应用

本方案适应于Xilinx系列FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7000、Zynq UltraScale等平台共计16套工程源码，本文讲述的是在Artix7-35T低端FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Artix7-100T 系列FPGA上的ov5640-MIPI视频解码应用的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在Xilinx Kintex7上解码MIPI视频的应用

本方案适应于Xilinx系列FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7000、Zynq UltraScale等平台共计16套工程源码，本文讲述的是在Artix7-35T低端FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Kintex7系列FPGA上的ov5640-MIPI视频解码应用的读者，可以参考我之前写得博客，以下是博客地址：
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本方案在Xilinx Zynq7000上解码MIPI视频的应用

本方案适应于Xilinx系列FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7000、Zynq UltraScale等平台共计16套工程源码，本文讲述的是在Artix7-35T低端FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Zynq7000系列FPGA上的ov5640-MIPI视频解码应用的读者，可以参考我之前写得博客，里面包括了Zynq7020、Zynq7030、Zynq7035、Zynq7045、Zynq7100等平台；以下是博客地址：
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本方案在Xilinx Zynq UltraScale上解码MIPI视频的应用

本方案适应于Xilinx系列FPGA平台，针对目前市面上主流的FPGA，本博将本方案分别移植到了Xilinx 的Artix7、Kintex7、Zynq7000、Zynq UltraScale等平台共计16套工程源码，本文讲述的是在Artix7-35T低端FPGA上的应用，想要直接应用于Xilinx Zynq UltraScale系列FPGA上的ov5640-MIPI视频解码应用的读者，可以参考我之前写得博客，里面包括了Zynq UltraScale XCZU2CG、Zynq UltraScale XCZU3EG、Zynq UltraScale XCZU4EV、Zynq UltraScale XCZU7EV、Zynq UltraScale XCZU9EG等平台；以下是博客地址：
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纯VHDL代码解码ov5640-MIPI视频方案

与上述基于MIPI CSI-2 RX Subsystem方案不同，本博也提供基于纯VHDL代码解码ov5640-MIPI视频的方案，该方案的区别与优势在于可以看到VHDL源码而非单纯的IP，能看到源码的意思就是你可以任意修改源码以适配自己的项目，其意义与价值无需多言，该方案目前已在Xilinx Zynq7020上移植成功，共有两套工程源码，一套是单路ov5640-MIPI视频解码后HDMI输出；另一套是4路ov5640-MIPI视频解码经缩放拼接后HDMI 4分屏输出；感兴趣的可以参考我之前的博客；
单路MIPI解码输出博客地址如下：
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4路MIPI解码缩放拼接输出博客地址如下：
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3、本 MIPI CSI2 模块性能及其优缺点

由于调用了Xilinx的MIPI CSI-2 RX Subsystem IP核，所以性能上就取决于你的FPGA型号，理论上FPGA越高端，支持的IO线速率或者GT高速接口线速率就越高，就能跑速率更高的MIPI视频；
该IP适应性极强，支持的MIPI相机性能参数如下：


并且，在越高端的FPGA型号上，该IP支持的高端性能也越多；
由于调用了Xilinx的MIPI CSI-2 RX Subsystem IP核，NIPI视频解码的稳定性很好，且使用及其简单，缺点是看不到源码，出了问题后不好排查，只能在输入输出接口添加ila进行逐级追踪；
本方案使用的FPGA型号为Xilinx Artix7-100T，属于低端FPGA的MIPI解码应用，再小型的Artix7-35T或者Spartan7、Spartan6等就已经不能使用MIPI CSI-2 RX Subsystem了；

4、详细设计方案

本设计基于Xilinx的 Artix7-35T低端FPGA开发板，采集OV5640摄像头的2Line MIPI视频，OV5640摄像头配置为MIPI模式，RAW10数据格式，引脚经过权电阻方案后接入FPGA的HS BANK的LVDS差分IO；调用Xilinx的MIPI CSI-2 RX Subsystem IP实现MIPI的D_PHY+CSI_RX2功能，该IP由Xilinx免费提供，将MIPI视频解码后以AXIS视频流格式输出；此时的视频是原始的RAW10数据，输出路径有两种，一种是经DDR缓存后依然以RAW10数据输出HDMI显示器，只不过图像为黑白色；另一种是DDR缓存后再经过Bayer转RGB和伽马校正后以RGB888数据输出HDMI显示器，区别是图像为彩色的，两种路径通过isp模块的parameter参数设置；

设计原理框图

设计原理框图如下：

OV5640及其配置

输入视频采用廉价的OV5640摄像头模组，配置为MIPI模式，2 Line，数据格式为RAW10，线速率为1000Mbps，视频分辨率为1280*720，一个时钟一个像素，OV5640需要SCCB总线配置才能运行，该总线等价于I2C总线，本设计采用纯verilog实现的i2c控制器配置OV5640，代码位置如下：

权电阻硬件方案

使用Xilinx官方推荐的权电阻硬件方案将输入的差分MIPI对恢复HS和PL，原理图部分截图如下：

注意：权电阻方案只在低速率的MIPI模式下可用，高速率的MIPI请用专用芯片实现，比如MC20001，MC系列这种方案可以支持到2Gbps/Lane速率以上，只要FPGA的IO速率够用；

MIPI CSI-2 RX Subsystem

调用Xilinx的MIPI CSI-2 RX Subsystem IP实现MIPI的D-PHY功能，该IP由Xilinx免费提供，将MIPI视频解码后以AXIS视频流格式输出；调用和配置如下：

图像缓存

调用Xilinx的MIG与DDR3交互形成图像缓存架构，调用Xilinx FIFO封装用户接口，对图像进行乒乓操作，形成2帧图像缓存，输入数据位宽为16bit，输出数据位宽为16bit，代码中有详细中文注释，很好理解和阅读，如果打开后注释为乱码，请用notepad++打开就好了；代码位置如下：

VGA时序

VGA时序模块产生1280x720@60Hz的分辨率视频，即用于控制视频从DDR3中读出，又作为VGA时序输出给HDMI输出模块，代码位置如下：

isp处理

由于OV5640-MIPI视频输出的是RAW10视频，所以需要isp处理，包括Bayer转RGB888和伽马校正，当然，isp并非一定要做，有的项目需求恰好就是要输出显示RAW10原视频，所以在代码里我专门设置了ISP_BYPASS参数，该参数配置说明如下：
parameter ISP_BYPASS = 0：视频进行isp处理，输出RGB888视频；
parameter ISP_BYPASS = 1：视频不进行isp处理，输出RAW10原视频；
isp模块代码位置如下：

默认采用isp处理后的RGB888视频输出，模块例化如下：

视频输出

视频从FDMA读出后，经过VGA时序模块和HDMI发送模块后输出显示器，代码位置如下：

VGA时序配置为1920X1080，HDMI发送模块采用verilog代码手写，可以用于FPGA的HDMI发送应用，关于这个模块，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

工程源码架构

工程源码架构如下：

5、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–Artix7–xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2022.2；
输入：OV5640摄像头–MIPI–2 Line–RAW10-1280x720；
输出：HDMI ，分辨率720P；
应用：Xilinx Artix7-35T低端FPGA解码MIPI视频；
工程代码架构请参考第4章节“设计思路框架”的“工程源码架构”小节内容；
工程的资源消耗和功耗如下：


可以看到，在资源相当紧张的Artix7-35T低端FPGA上，本方案消耗的逻辑资源是很少的，还剩余了大量资源可供用户其他使用，足以证明本方案的先进性；

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；

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；

7、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：
FPHA开发板；
OV5640摄像头；
HDMI显示器；

RAW10原始图像输出演示

该输出方案需要在代码中改为如下才能输出，如下：

输出如下：

isp处理后的RGB888图像输出演示

该输出方案需要在代码中改为如下才能输出，如下：

输出如下：

8、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：