精品文檔-下載后可編輯基于NiosⅡ的圖像采集和顯示的實現(xiàn)-基礎電子隨著大規(guī)模集成電路設計技術的進步、制造工藝水平的提高以及單個芯片上的邏輯門數(shù)的增加，嵌入式系統(tǒng)設計變得日益復雜。把整個系統(tǒng)集成到一個芯片上,即片上系統(tǒng)SoC(SystemonChip)技術是當前嵌入式系統(tǒng)設計的一個研究熱點。在Altera公司提供的SOPC平臺上設計的基于FPGA的SoC系統(tǒng)，具有開發(fā)周期短、成本低和可重構等多種優(yōu)點。

1系統(tǒng)設計

基于NiosⅡ的高速圖像數(shù)據(jù)采集和顯示系統(tǒng)的實現(xiàn)通常有兩種方案。一種是在NiosⅡ處理器上使用軟件控制PIO(PeripheralI/O)端口模擬采集模塊的時序，從而可靈活地存儲圖像數(shù)據(jù)，并可按照圖像宏塊(如8×8像素的MCU塊)存入SDRAM的連續(xù)地址中；第二種方案是加FIFO緩沖區(qū)，圖像數(shù)據(jù)直接經(jīng)DMA控制器存儲SDRAM，這種方案能節(jié)省NiosⅡ的軟件開銷，更高效地完成圖像的采集工作。

本系統(tǒng)采用的FPGA為Altera的EP1C6Q240C8，它有5980個LC(邏輯門單元)和20個M4K的RAM塊。本系統(tǒng)設計的一個11位深度的DMA控制器，需要280個LogicCells和151個LCRegisters，占FPGA整個系統(tǒng)資源的7.2%，其資源占用較少。本系統(tǒng)設計了兩個DMA控制器，一個用于前端采集模塊通道，一個用于后端顯示模塊通道。

由于CMOS和CCD的固體圖像傳感器的類型很多，有些傳感器(如OV7620)輸出的是YCrCb(4:2:2)的格式，但大多數(shù)CMOS和CCD的圖像傳感器出來的圖像數(shù)據(jù)是RawData（Bayer）的數(shù)據(jù)格式。所以首先需要對這些圖像數(shù)據(jù)進行CFA插補。為了節(jié)省軟件開銷，本系統(tǒng)采用了一種簡單的CFA插補算法(Bilinear)，與高階B-spline和cubic-spline等插補函數(shù)相比，圖像的像質相差不大。但Bilinear的算法要簡單得多，消耗的軟件資源相對要少。插補后的圖像需要進一步裁剪成液晶屏能顯示的分辨率(QVGA)，RGB分量只取高6位。

2硬件設計

2.1系統(tǒng)的硬件電路圖

系統(tǒng)電路圖如圖1所示。

從圖1可以看出，系統(tǒng)的采集、存儲和顯示模塊的控制器都是在EP1C6Q240C8這塊FPGA上完成。

2.2FPGA中的電路設計

在FPGA中需要設計3種控制器，即CMOS采集控制器、SDRAM控制器、TFT液晶顯示控制器。Altera公司提供了SDRAM的控制器，需要根據(jù)具體的SDRAM器件正確配置SDRAM控制器的時間參數(shù)，才能正常、穩(wěn)定地工作。本系統(tǒng)采用的SDRAM型號為HY57V561620T-H，其配置參數(shù)如表1所示。

OV2610和TFT液晶的控制器如圖2和圖3所示。兩個控制器都用硬件描述語言寫用戶邏輯，創(chuàng)建AlvalonSlave接口，直接連接到DMA控制器的主端口。通過NiosIICPU數(shù)據(jù)和程序總線寫DMA的控制器字來控制數(shù)據(jù)的采集和顯示。

OV2610的圖像數(shù)據(jù)在TFT液晶屏上顯示時，需要設計兩個DMA控制器，一個用做圖像數(shù)據(jù)采集通道，一個用做圖像顯示通道。由于OV2610圖像數(shù)據(jù)的接口是數(shù)據(jù)流的形式，用FIFO存儲單元來做緩存與雙口RAM相比，不需要設計地址發(fā)生器，減少了FPGA內(nèi)部的邏輯綜合布線。具體設計包括兩部分：部分采用硬件描述語言設計CMOS采集和液晶顯示模塊的時序發(fā)生器；第二部分是在NiosⅡIDE環(huán)境下，用C語言編寫DMA初始化和控制程序。

CMOS采集時序模塊和TFT液晶時序發(fā)生模塊都需要嚴格按照CMOS圖像傳感器和TFT液晶顯示的時序設計。在CMOS采集控制器和液晶控制器的設計中，關鍵是設計好時序產(chǎn)生模塊的邏輯，同時采集和顯示的數(shù)據(jù)需要存儲到資源有限的FIFO中。在EP1C6Q240C8內(nèi)部，由于只有20個M4K的存儲單元，所以資源有限。在CMOS采集控制器中，會占用11位深度2KB的FIFO存儲單元；QVGA分辨率(320×240)，液晶顯示模塊要設計9位深度512B的FIFO存儲單元做顯存才能滿足要求。

用硬件描述語言設計采集時序模塊和液晶時序發(fā)生模塊的控制器。在QuartusⅡSimulator中模擬的液晶時序發(fā)生控制器波形如圖4所示。

CMOS圖像采集時序與TFT液晶時序類似。

在SOPC平臺中，要設計CMOS傳感器與Avalon的接口，將數(shù)據(jù)存儲到SDRAM，掛接到Avalon總線上。本系統(tǒng)CMOS采集時序模塊和TFT液晶時序發(fā)生模塊都設計成為Avalon的從設備，需要用到address、clk、reset、chipselect、read、readdata、begintransfer、endofpacket引腳。

設計TFT_LCD與Avalon的接口也需要用到clk、reset、chipselect、address、write、writedata、begintransfer、endofpacket。在SOPCbuilder4.2環(huán)境中可以創(chuàng)建用戶自定義的元件，這里采用HDL文件描述控制器的行為。

數(shù)據(jù)傳輸需要按照Avalon總線從模式傳輸?shù)目偩€接口時序進行。從圖5的傳輸時序可以看出，流模式的數(shù)據(jù)傳輸與FIFO的傳輸時序相似，因此在FIFO與Avalon總線的接口上能夠做到無縫連接。這里Avalon總線將FIFO讀入DMA或NiosⅡ的主端口的時鐘是內(nèi)部總線的時鐘，本系統(tǒng)采用80MHz。也就是說，用流模式傳輸?shù)膸捘苓_到160Mbps，可滿足300萬像素、圖像采集30幀/s的要求，比用PIO方式采集的帶寬要大。圖像采集系統(tǒng)的關鍵為SDRAM的存儲部分。在SOPC的設計中，如果更多的主端口掛接到SDRAM控制器上，則SDRAM的仲裁電路消耗的時間就會增加，從而造成SDRAM的數(shù)據(jù)存儲速度下降。當連接到SDRAM控制器的主端口過多時，就會成為圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

3系統(tǒng)軟件設計

3.1NiosIIIDE軟件環(huán)境

系統(tǒng)硬件要正確運行，還需要在NiosⅡIDE的軟件環(huán)境中正確地配置兩路DMA的控制寄存器，同時設計好DMA的源地址和目的地址。

由于Altera為NiosⅡ處理器用戶提供硬件抽象層(HAL)系統(tǒng)庫驅動程序，允許用戶使用HAL應用程序接口(API)函數(shù)訪問外設，所以用戶能方便地操作底層硬件。

本系統(tǒng)設計中，HAL層采用NiosⅡIDE提供的驅動程序，在altera_avalon_dma_regs.h文件中定義了各個DMA的控制寄存器和各個位控單元的宏定義，為編程提供了一種標準的頭文件。雖然altera_avalon_dma.c文件中也提供了一些標準的DMA調(diào)用函數(shù)，但對系統(tǒng)速度的提高作用不大，而調(diào)用HAL層的宏可以更快地實現(xiàn)DMA的初始化及后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)插補。DMA控制器寄存器都是32位，共有8個寄存器(包括與Nios相比新增加的3個寄存器)，包括狀態(tài)寄存器、源地址寄存器、目標地址寄存器、長度寄存器及控制寄存器等。

3.2軟件實現(xiàn)流程

實現(xiàn)CMOS圖像采集到液晶顯示的軟件流程如圖6所示。

整個系統(tǒng)中，初始化DMA是關鍵，其初始化流程如圖7所示。

以下給出DMA初始化的源代碼：

在注冊DMA設備的函數(shù)中，NiosⅡ會調(diào)sys_dev_init函數(shù)完成DMAHAL層的初始化，同時指明中斷服務程序的函數(shù)入口地址，而其他語句主要是完成DMA寄存器的正確配置。

3.3數(shù)據(jù)整理

采集的原始圖像數(shù)據(jù)為Bayer模式，如表2所示。而采用了CFA技術，則需要轉換成BT666的數(shù)據(jù)格式，用于TFT的LCD液晶顯示。由于TFT液晶像素的分辨率為QVGA(320×240)，而從圖像傳感器采集到的圖像像素為SVGA(1600×1200)，所以需要裁剪原來的圖像。采取了16：1的抽取方式來顯示圖像，這些數(shù)據(jù)的處理都可以在NiosⅡIDE的軟件環(huán)境中靈活處理。

圖8便是終調(diào)試采集到的一幅200萬像素的CMOS圖像。它通過在NiosⅡ的環(huán)境中采用PIO內(nèi)核，遵循CompactFlashCard接口協(xié)議模擬出CF卡的控制器，同時在NiosⅡIDE的環(huán)境中通過對采集到的RAW圖像數(shù)據(jù)進行整理插補還原，按照FAT16的文件系統(tǒng)寫到CompactFlashCard中。

從采集實驗得到的圖像可以看出，圖像的質量很好，圖像的信噪比高。由此在SOPC平臺上開發(fā)圖像的采集和顯示控制器，能增強系統(tǒng)的靈活性和適應性。同時，由于一些組織提供了公開的IP核，將其應用到自開發(fā)系統(tǒng)上，可以縮短設計開發(fā)周期，也是一種低成本的途徑。這種'軟'硬件全新的設計概念，將會在智能測量、自動控制、便攜式儀器儀表等領域得到廣泛應用。