嵌入式日記：破解RPi攝像頭以與Zynq FPGA配合使用

描述

動機

FPGA 非常適合低延遲、高吞吐量的成像應用。最好使用直接與 FPGA 接口的相機（而不是 USB/網絡相機）來實現(xiàn)這一點。然而，對于業(yè)余愛好者、修補匠和小型初創(chuàng)企業(yè)來說，可用的相機模塊選項數量有限，而且并非所有可用選項都便宜（相對而言）。最重要的是，許多都有自己的物理接口，所以通常你只能將相機與它的開發(fā)套件一起使用。沒有相當大的努力，就是這樣。

然而，由于具有 15 針 FFC 攝像頭接口 (MIPI-CSI) 的 Raspberry Pi 等低成本單板計算機的普及，情況正在好轉。隨著時間的推移，RPi 相機接口變得非常流行，如今許多單板計算機都可以使用相同的相機連接器（Jetson 套件、RPi 替代板等）。甚至一些 FPGA 板現(xiàn)在也配備了相同的 15 針連接器（Zybo-Z7、Kria 等）。由于受歡迎程度，現(xiàn)在可以從各種供應商（RPi 基金會、Arducam、VEYE 等）處獲得許多低成本圖像傳感器。

樹莓派 15 針 MIPI-CSI 攝像頭接口

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不幸的是，一旦我們開始將這些圖像傳感器之一與我們的 FPGA 一起使用，我們就會遇到一個大問題：大多數圖像傳感器的數據表都是不公開的！

您會看到，在使用任何現(xiàn)代圖像傳感器之前，您需要根據您的用例對其進行配置。雖然高吞吐量數據通過 MIPI-CSI 等協(xié)議傳輸，但配置通常通過 I2C 進行。然而，要知道通過 I2C 接口發(fā)送什么命令需要知道傳感器的寄存器映射，以及這些寄存器的每一位的功能。但如果沒有公開的數據表，這是一個大問題。在某些情況下，如果您足夠幸運，您將能夠在互聯(lián)網上找到您的特定圖像傳感器的泄露數據表，但情況并非總是如此。例如，在撰寫本文時（2021 年 9 月），RPi“高質量”相機沒有公開的數據表。

有時即使有數據表，事情也不會太樂觀。現(xiàn)代圖像傳感器是復雜的硅片，配置大多數圖像傳感器需要正確設置數百個寄存器，然后才能開始以正確格式輸出正確的圖像數據。有時鐘/PLL 配置、分辨率、binning、曝光、增益、白平衡、輸出接口格式等設置。至少獲得參考或起點不是很好嗎？

所以，我們能做些什么？

“嗅探”或“竊聽”是軟件/硬件黑客中常用的一種技術。這個想法是監(jiān)聽兩個設備之間的通信，而不干擾原始對話，并保持細致的記錄以備后用。我們可能不明白對話的每個部分的含義是什么，但有時我們可以重播相同的序列，并設法欺騙目標設備給我們需要的東西。

我的設置

在這種特殊情況下，我有一個我之前購買的Zybo-z7-20板，以及PCAM-5C板相機。使用Digilent 提供的運行“baremetal”的演示項目，我能夠非常快速地讓兩者一起工作。但是，對于未來的項目，我希望有更多的相機選項，而不僅僅是 PCAM-5C。許多與 RPi 接口兼容的傳感器都帶有自己的 Linux 驅動程序。我希望能夠在運行裸機時使用相同的傳感器。

我的計劃如下：

• 選擇具有匹配物理/電氣接口的相機
• 使用我需要的設置（分辨率、幀率等）讓它在它的本機平臺（RPi、Jetson 等）上工作
• 使用邏輯分析儀設置 I2C 嗅探器并記錄從處理器到相機的所有命令。
• 使用我自己的 FPGA 板進行清理、適當格式化和重播命令。

對于這個特定的實驗，我將使用我已經擁有的：- Raspberry Pi v2.1 相機- RaspberryPi 4B 作為“本機”平臺- Saleae Logic 16 pro 作為我的邏輯分析儀- Zybo-Zy-20 作為我的“目標” FPGA板。

讓我們開始吧……！

第 1 步：驗證接口兼容性

N. 從電路板的示意圖中檢查引腳配置和電壓電平。

Shematics 的 Zybo-Z7 相機連接器配置

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我們可以看到連接器將為連接的相機提供 3.3V 電壓，并且 I2C 也在 3.3V 下工作。

接下來，我們看一下攝像頭模塊。從 RPi v2.1 攝像頭模塊的示意圖中，我們可以驗證引腳配置和電壓確實匹配。

RPi v2.1 攝像頭引腳配置

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您可能會注意到上拉電壓為 1.8V 而不是 3.3V，但這沒關系，因為組件 Q1 正在執(zhí)行電壓電平轉換。Ctrl+C退出。注意上面使用 gstreamer 管道，這是上述命令正常工作的先決條件。

第 3 步：嗅探 I2C 通信

現(xiàn)在我們有了一個工作系統(tǒng)，下一步是嗅探 RPi 和圖像傳感器之間的 I2C 通信。首先，我使用烙鐵將三根細跳線連接到 FFC 上的接地、SDA、SCL 引腳，然后用 Kapton 膠帶覆蓋以作為連接線的機械釋放。我這樣做是因為與在焊接過程中弄亂 RPi 或攝像頭板相比，F(xiàn)FC 電纜便宜且易于更換。此外，這給了我一根“間諜電纜”，我也可以將其重新用于其他相機/平臺。

間諜跳線焊接到相機 FFC

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在此之后，我將這些電線與我的邏輯分析儀連接起來。在這一步中，我使用 USB“邏輯分析儀”來嗅探 I2C 通道上的通信。我使用的是 Saleae Logic 16 pro，因為這是我所擁有的，但任何便宜的邏輯分析儀都可以解決這個問題（I2C 的數據速率相當慢）。最后，我為 I2C 解碼配置了邏輯分析儀并點擊了開始按鈕。

RPi 4 通過 FFC 連接到 v2 攝像頭，同時 Logic Analyzer 竊聽 I2C 事務

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現(xiàn)在我們有一些捕獲的數據。

邏輯分析儀捕獲的 I2C 信號（左）。右側的解碼 I2C 事務。

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第 4 步：清理和準備 I2C 數據

現(xiàn)在我們有了一些捕獲的數據，我們需要清理和準備數據，然后才能將其與 FPGA 板一起使用。由于我遵循的確切過程非常具體到我所擁有的設置，因此我將詳細說明每個步驟的意圖以供讀者理解。

我注意到的第一件事是有一個初始的命令突發(fā)（左），然后是另一個密集的命令突發(fā)（中），然后經過一段時間的延遲后，每隔約 15 毫秒就會有一個 I2C 命令（右）。

I2C 命令日志

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每 ~15ms 的命令對應于 60fps 幀之間的時間。此外，這些命令被發(fā)送到相同的 I2C 地址，并且都是寫命令。

每~15ms重復I2C命令序列

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因此，經過一些實驗后，我得出結論，這些必須是從 ISP 到相機的命令，以便在處理每一幀后根據不斷變化的照明條件（自動增益/曝光控制，可能還有自動白平衡）進行調整。這也意味著，就目前而言，我可以刪除在這些命令的第一個實例之后發(fā)送的任何數據數據，因為發(fā)送一次曝光命令就足以開始了。另外，請注意這些重復的命令被發(fā)送到 I2C 地址 0x10。因此我們可以推斷出我們相機的 I2C 地址是 0x10 。

接下來，我查看了修剪后的數據，注意到開頭有一些讀命令，還有一些寫到 I2C 地址 0x71 的命令。

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由于我們不知道如何處理從讀取命令返回的數據，因此保留它們沒有意義，因此我刪除了它們。

尋址到 0x71 的命令很可能用于位于 Rpi V2.1 cam 上的 EEPROM，Raspberry pi 固件使用它來查看是否連接了正版相機，因此我們也不需要保留它們。因此我也刪除了它們。

對于轉儲的數據，我將僅提及一些細分。讓我們隨機選擇一行轉儲數據：

write to 0x10 ack data: 0x01 0x62 0x0D 0xE8

在這一行中，0x10 是相機的 I2C 地址，0x0162 是寄存器地址，0x0D、0xE8 是數據字節(jié)。通常一個寄存器是一個字節(jié)長，因此由于大多數傳感器中的 I2C 地址自動遞增功能，第二個字節(jié)實際上會轉到下一個寄存器地址 (0x1063)。

無論如何，在此之后，我將剩余的修剪數據復制到 Excel 表中，刪除除 I2C 數據之外的所有文本并對其進行格式化（通過一些手動操作），以便稍后在 Xilinx 內部將其用作 C 中的數組開發(fā)工具包。其中一部分包括在每行中添加一個包含 I2C 字節(jié)數的列，因為轉儲數據中的不同行發(fā)送的 I2C 字節(jié)數不同。

第 5 步：使用 FPGA 重放命令

現(xiàn)在，要使用我們的 FPGA 板測試我們的數據，我需要一個 Vivado &SDK 項目。幸運的是，我已經從 Adam Taylor 的優(yōu)秀帖子中下載了一個 Vivado 項目，它為我提供了一個工作系統(tǒng)，以 720p60 分辨率從 PCAM-5C 相機獲取數據并通過 HDMI 輸出顯示。

接下來，我為此訪問了 SDK 項目，并添加了一個包含先前步驟中轉儲和格式化的 I2C 數據的數組，并將其設置為在啟動后發(fā)送到 v2 相機 I2C 地址 (0x10)。其余什么都不需要更改，事實上我什至將以前的 PCAM-5C 代碼留在了文件中，因為當該地址上沒有設備響應時，該地址的命令會被簡單地忽略。我還將 Adam 的 vivado 項目配置為使用 CSI 輸入（而不是 HDMI IN）作為源。包含所有修改的完整項目鏈接在帖子末尾。

完成軟件修改后，剩下要做的就是將 RPi v2.1 攝像頭連接到 Zybo-Z7 上的 MIPI 連接器，將 HDMI 電纜從 HDMI TX 端口連接到顯示器，然后上傳代碼。

RPi V2.1 攝像頭連接到 Zybo-Z7-20

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說“茄子”

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我愿意稱之為成功。這證明這里采用的概念也適用于其他可用的傳感器（盡管有一些警告），并且應該為我們提供更多 MIPI 圖像傳感器選項以用于 FPGA 項目。這意味著，如果其中一個傳感器是與 FPGA 一起使用，那么我們將需要在 FPGA 中自己處理這些功能。通過在受控的光照條件變化下查看每幀后發(fā)送到相機的數據，應該可以找到相關的寄存器。另一方面，一些攝像頭模塊還帶有板載 ISP，在這種情況下，這不是問題。（看看一些來自 Arducam、VEYE 的傳感器）

• 并非所有圖像傳感器本身都支持 720p 或 1080p 等格式。因此，在某些情況下，驅動程序會將傳感器設置為在高度/寬度（或兩者）上大于用戶通過命令行請求的模式。在這種情況下，Raspberry Pi/Jetson 等內部的 ISP（圖像信號處理器）預計會將圖像裁剪為用戶請求的分辨率。這意味著如果我們使用 FPGA 來接收這個流，那么我們需要在 FPGA 內部進行裁剪。通過在水平和垂直方向上為圖像開始位置、活動像素和步幅設置適當的值，Xilinx VDMA 可輕松用于執(zhí)行此裁剪，而無需任何處理開銷。

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希望你喜歡閱讀和跟隨。下次我們可能會嘗試不同的 MIPI 傳感器（RPi HQ 相機？），看看效果如何。

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