摘要：MIPI攝像頭以其體積小、傳輸速率快的特點(diǎn)在電子產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在也廣泛地適配到AI端上推理設(shè)備。本文以百度的AI端上推理設(shè)備EdgeBoard為硬件基礎(chǔ)，介紹基于FPGA的MIPI相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。

MIPI（移動(dòng)行業(yè)處理器接口）是Mobile Industry Processor Interface的縮寫，是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動(dòng)應(yīng)?處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn)。MIPI采?高速串行接口傳輸數(shù)據(jù)，滿?高分辨率攝像頭的傳輸需求，采用串行接口方便PCB布局布線，提高信號完整性，也有利于減小PCB面積。MIPI接口的攝像頭一般體積較小，適合于小型的嵌入式設(shè)備，比如手機(jī)和行車記錄儀等，同時(shí)也廣泛應(yīng)用到AI端上推理設(shè)備。本文以百度的端上推理設(shè)備EdgeBoard作為原型來介紹MIPI相關(guān)技術(shù)的開發(fā)。如果用戶購買EdgeBoard，出廠的鏡像中帶有MIPI的功能，只需再購買推薦的MIPI攝像頭，即可實(shí)現(xiàn)即插即用。

MIPI介紹

MIPI接口分為兩類，一是DSI (Display Serial Interface)，提供處理器和顯示模組之間的高速串行接口；二是CSI (Camera Serial Interface)，提供處理器和攝像模組之間的高速串行接口。本文將要介紹的是CSI-2。

MIPI信號采用低壓差分信號進(jìn)行傳輸，具有傳輸速率快，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。MIPI的傳輸模式分為低速信號模式和高速信號模式，低速信號用于控制命令（10 MHz），高速信號用于數(shù)據(jù)傳輸（80Mbps -1Gbps/lane）。時(shí)鐘處于非連續(xù)工作狀態(tài)，根據(jù)傳輸狀態(tài)進(jìn)行時(shí)鐘的切換，這樣可以極大地降低功耗。關(guān)于D-PHY可參考MIPI?Alliance Specification for D-PHY。

MIPI最多可支持4通道數(shù)據(jù)，同時(shí)配有IIC總線進(jìn)行配置，收發(fā)接口如下圖：

MIPI協(xié)議也是采用類似于以太網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)，采用分層設(shè)計(jì)的思想，分為PHY Layer，Protocal Layer和Application Layer。

MIPI傳輸?shù)膱?bào)文中定義了圖像數(shù)據(jù)的類型/格式（Data type），這些類型/格式方便在調(diào)試的時(shí)候確定鏈路是否工作正常，常用的Data Type如下圖，比如YUV的數(shù)據(jù)格式的標(biāo)示符是0x18到0x1F，期間的數(shù)值定義了具體的格式，比如YUV422，YUV444等，具體可參考MIPI Alliance Specification for CameraSerial Interface 2。

硬件相關(guān)

MIPI電平

MIPI的電平標(biāo)準(zhǔn)分為LP (Low Power)模式和HP（High Power）模式，LP模式下高電平最大值1.3V，最小1.1V，典型值為1.2V，HP模式下共模電平200mv，擺幅200mV。

D-PHY

1、Ultrascale系列的FPGA使用MIPI_PHY_DCI的電平，digital control impedence，如果是mipi的數(shù)據(jù)率很高時(shí)，比如lane rate高于1000Mbps，需要開啟100R的termination。

2、如果使用K7系列的芯片，由于其不支持MIPI_PHY_DCI電平，可以通過LVDS電平轉(zhuǎn)換而來，可以參考Xilinx的官方文檔D-PHY solutionsXAPP894，提供了完整D-PHY層的解決方案。

Note1：對于Vivado 2018.2以下的版本，如果MIPI線速率很高，比如1500Mbps，需要在xdc約束文件中添加termination約束，針對Ultrascale芯片，做以下操作：

MIPI引腳分配和BANK電壓

1.EdgeBoard中使用的是Xilinx Ultrascale+系列的MPSoC，MIPI的IO必須放置在HP Bank。

2.MIPI_PHY_DCI的電平對Bank的要求苛刻，Bank的VCCO必須設(shè)定為1.2V，同時(shí)BANK的VREF推薦端接240R。如果Bank中有其他電平標(biāo)準(zhǔn)，比如1.8V的電平，在implementation過程中會(huì)報(bào)錯(cuò)。

3.MIPI-CSI-RX IP帶有Pin assignment的功能，可進(jìn)行引腳分配的驗(yàn)證，參考后文的MIPI IP配置。

Layout

D-PHY的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定總的傳輸延遲不能超過2 ns，對應(yīng)到FR4材質(zhì)的PCB最大的走線長度是25cm到30cm，包括從發(fā)送端到接收端，這決定了MIPI支持的傳輸距離在30cm左右，參考AN-1337D-PHY。同時(shí)PCB走線必須匹配100歐姆的端接。

EdgeBoard的MIPI

EdgeBoard的MIPI最多支持4通道，可以根據(jù)需要選擇性使用，用戶通過排線與EdgeBoard連接即可，注意排線不要過長，最好小于10cm。

開發(fā)

Vivado

Vivado工具中的視頻IP也是在逐步開發(fā)完善中，其中難免會(huì)遇到各種意想不到的bug，不過好在Xilinx的官方論壇維護(hù)地很好，只要發(fā)帖提問，短時(shí)間內(nèi)就會(huì)得到專門技術(shù)人員的回答，同時(shí)針對出現(xiàn)的Bug，Xilinx官方也會(huì)定期發(fā)布相應(yīng)的patch，Video論壇中積攢的各種帖子也為后續(xù)的開發(fā)者提供了解決問題的途徑。

1.如果使用2017版本的Vivado，MIPI CSI RX IP不能處理MIPI鏡頭時(shí)鐘缺失的問題，參考AR70581。解決該問題，參考AR70530打patch，patch打成功之后，在Vivado軟件界面提示AR70530。如果使用2018之后的版本，則不存在這個(gè)問題，不需要打patch。

2.MIPI-CSI-RX license需要購買才能使用，功能驗(yàn)證階段可以在Xilinx官網(wǎng)申請Evaluation license，但是用evaluation license生成的bit文件，會(huì)間歇性停止工作，無法用到真正的產(chǎn)品里面。

License申請參考下文申請Xilinx Evaluation License

3. Github也有開源的MIPI CSI2 IP，該IP針對Xilinx 7 Series FPGA，可以支持到4K的分辨率，采用VHDL開發(fā)，但僅支持4通道的MIPI攝像頭。

4.推薦使用2018.3及以上的版本進(jìn)行MIPI的開發(fā)。

MIPI IP的配置

1.根據(jù)MIPI攝像頭的參數(shù)進(jìn)行基本的設(shè)置，主要包括顏色格式、通道數(shù)、線速率等。其中線速率最好高于MIPI攝像頭的速率，在MIPI IP的內(nèi)部有一個(gè)FIFO緩沖數(shù)據(jù)，MIPI IP讀出速率高于MIPI鏡頭的寫入速度，可以確保不丟幀。

2.在硬件設(shè)計(jì)之前就需要進(jìn)行引腳驗(yàn)證，由于MIPI對于引腳要求相對苛刻，謹(jǐn)慎為好。

MIPI后續(xù)處理IP

前面的MIPI IP只是負(fù)責(zé)從前端攝像頭拿到數(shù)據(jù)，還需要其他IP進(jìn)行后續(xù)的處理才能得到完整的視頻。

Demosaic

也稱之為interolation，通過相鄰像素的色彩經(jīng)過插值算法構(gòu)建出一副標(biāo)準(zhǔn)色彩的圖像，實(shí)現(xiàn)Bayer到RGB的轉(zhuǎn)換。

攝像頭的感光sensor輸出的每個(gè)像素不是標(biāo)準(zhǔn)的RGB，每個(gè)像素只是三原色中的一種，后期通過插值算法恢復(fù)出RGB標(biāo)準(zhǔn)顏色，該方法由柯達(dá)科學(xué)家Bayer博士提出，該方法被稱之為Bayer濾色。

感光sensor內(nèi)部帶有color filter array（濾色鏡），通過放置不同的原色的filter過濾出單個(gè)像素的顏色，每個(gè)像素是單個(gè)的色彩（RGB中的一種)，也稱之為RAW數(shù)據(jù)，后端ISP中通過插值算法恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)的RGB。下圖是兩種濾色方法，一種是RGB，一種是CMY（印刷四分色模式）。

NOTE：使用Demosaic IP時(shí)，需要制定sensor的左上角的第一個(gè)像素是什么顏色，不同的sensor起始像素顏色不同。在Demosaic的BAYER_PHASE (0x0028) Register中進(jìn)行設(shè)定，參考文檔SensorDemosaic。

IP配置如下：設(shè)定每個(gè)時(shí)鐘的像素個(gè)數(shù)，像素?cái)?shù)據(jù)寬度以及分辨率。

Gamma Correcttion

Gamma矯正的目的是將線性亮度信號或者RGB編碼矯正成適合顯示器顯示的非線性數(shù)據(jù)。IP使用Gamma LUT，該IP免費(fèi)，具體配置見下圖。

Video Process Subsystem

Video process subsystem IP具有視頻處理的多種功能，針對MIPI可以使用color space conversion，實(shí)現(xiàn)YUV444或者RGB色彩的矯正，提升視覺效果。

注：以上的IP設(shè)置均基于Vivado 2017.4版本，2018及以上版本會(huì)略有不同，根據(jù)我們的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，推薦使用2018.3版本。

EdgeBoard中MIPI攝像頭數(shù)據(jù)流

EdgeBoard中MIPI攝像頭數(shù)據(jù)流如下圖，當(dāng)用戶購買EdgeBoard后，然后搭配我們推薦的MIPI攝像頭，即可做到即插即用。

關(guān)鍵寄存器

Xilinx MIPI IP和D-PHY對于開發(fā)者來說是黑盒子，如果開發(fā)中遇到問題，只能通過寄存器的方式來跟蹤問題，現(xiàn)介紹一些關(guān)鍵的寄存器。通過跟蹤這些寄存器的狀態(tài)，可以定位排查問題。

D-PHY關(guān)鍵寄存器

首先是判斷D-PHY的工作狀態(tài)，在MIPI IP設(shè)置中需要Enable D-PHY Register Interface。

1. Control Register

1.查看D-PHY是否已經(jīng)使能

2. CL_STATUS Register（CL -> Clock Lane）

1.查看clock lane是否處于stop狀態(tài)

2.查看通道是否完成初始化

3.查看工作模式

3. DL_STATUS Register (DL -> Data Lane)

1.查看data lane是否處于stop狀態(tài)

2.查看通道是否完成初始化

3.查看工作模式

CSI2-RX關(guān)鍵寄存器

1. Core Configuration Register

1. Enable core

2. Protocal Configuration Register

1. Lane number：硬件沒問題的話，可以看到MIPI攝像頭使用的通道數(shù)

3. Core Status Register

1.統(tǒng)計(jì)收到的packet

4.查看FIFO是否滿，如果數(shù)據(jù)及時(shí)讀出，是不會(huì)出現(xiàn)滿的情況

5. Interrupt Status Register

1.這是排查問題的重要寄存器，各種問題引起的中斷都會(huì)寫入到該寄存器中

6.如果出現(xiàn)ECC的錯(cuò)誤，大概率是硬件信號完整性問題

7. Generic short Packet Register

1.查看圖像格式，在該寄存器能看到對的Data Type，基本可以說明硬件設(shè)計(jì)沒問題

8. Clock Lane Information Register

1.查看clock的工作狀態(tài)

9. Lane Information Register

1.查看每個(gè)lane的工作狀態(tài)，每個(gè)lane不是始終處于工作狀態(tài)，也會(huì)處于inactive狀態(tài)

附：申請Xilinx Evaluation License

1.首先需要有一個(gè)Xilinx官方賬號，然后進(jìn)入到Evaluation License網(wǎng)址進(jìn)行申請，申請界面如下：

2.點(diǎn)擊search now，輸入mipi關(guān)鍵字，勾選MIPI RX

3.Evaluation License需要綁定主機(jī)的MAC地址，點(diǎn)擊Generate Node-Locked License，然后設(shè)置需要綁定的MAC地址

4.很快在個(gè)人注冊的郵箱里會(huì)收到Xilinx官方發(fā)布的lic文件，將其導(dǎo)入到Vivado工具即可。

NOTE：Evaluation License僅限于測試MIPI IP和MIPI攝像頭的工作狀態(tài)，不可用于發(fā)布產(chǎn)品，其內(nèi)部帶有計(jì)數(shù)器，連續(xù)使用幾小時(shí)后會(huì)停止工作。