VHDL在高速圖像采集系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

   摘要：介紹高速圖像采集系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理，講述FPGA在圖像采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的VHDL模塊設(shè)計(jì)，給出采集同步模塊的VHDL源程序。

    關(guān)鍵詞：圖像采集 FPGA VHDL PCI

現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)圖像采集系統(tǒng)的要求日益提高。傳統(tǒng)的圖像采集卡速度慢、處理功能簡(jiǎn)單，不能很好地滿足特殊要求，因此，我們構(gòu)建了高速圖像采集系統(tǒng)。它主要包括圖像采集模塊、圖像低級(jí)處理模塊以及總線接口模塊等。這些模塊是在FPGA中利用VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。高速圖像采集系統(tǒng)主要用于視覺(jué)檢測(cè)。視覺(jué)檢測(cè)中圖像處理的特點(diǎn)是：底層圖像處理數(shù)據(jù)量大，算法簡(jiǎn)單；高層圖像處理算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，算法簡(jiǎn)單；高層圖像處理算法復(fù)雜，數(shù)據(jù)量小。對(duì)于圖像底層處理，我們?cè)诟咚賵D像采集系統(tǒng)中用FPGA實(shí)現(xiàn)，采用VHDL編寫圖像處理算法；對(duì)于圖像高層處理，由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。由于VHDL設(shè)計(jì)靈活、編程方便，易于在FPGA中實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算和流水線結(jié)構(gòu)；所以，高速圖像采集系統(tǒng)的速度快、適應(yīng)性好。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速圖像采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。它的輸入為標(biāo)準(zhǔn)的模擬視頻信號(hào)，用可編程視頻輸入處理器SAA7111進(jìn)行視頻信號(hào)處理。SAA7111內(nèi)部集成了強(qiáng)大的圖像色度、亮度處理功能以及多種輸出模式；有32個(gè)工作寄存器，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，必須通過(guò)FPGA1的IC2總線模塊對(duì)其進(jìn)行初始化。SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA芯片進(jìn)行采集與處理，采用Xilinx公司的XC2S150芯片。XC2S150是Spartan II系列產(chǎn)品。它基于Virtex系列的結(jié)構(gòu)，支持所有相關(guān)的特性，具有很高的性能價(jià)格比；采集與處理的圖像數(shù)據(jù)在傳送到計(jì)算機(jī)之前，存儲(chǔ)在高速SRAM CY7C1049V33中，SRAM的容量為512K×8bit。與計(jì)算機(jī)通常采用PCI總線，由S5933來(lái)實(shí)現(xiàn)。S5933是一種功能強(qiáng)大的PCI控制器，符合PCI2.1規(guī)范。

1.2 工作原理

系統(tǒng)復(fù)位完成FPGA程序加載后，先由FPGA1的I2C總線模塊對(duì)SAA7111初始化，初始化結(jié)束后等待采集圖像的命令。初始化成功后，SAA7111實(shí)時(shí)處理模擬視頻信號(hào)，輸出亮度和色度信號(hào)，同時(shí)輸出點(diǎn)時(shí)鐘信號(hào)，行、場(chǎng)同步信號(hào)，行、場(chǎng)參考信號(hào)，奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)等。本系統(tǒng)使用灰度圖像，沒(méi)有使用色度信號(hào)，所以數(shù)據(jù)線為8位。

系統(tǒng)采集圖像的命令由計(jì)算機(jī)發(fā)出。采集命令通過(guò)PCI總線傳輸?shù)紽PGA1，啟動(dòng)FPGA1的采集同步模塊。采集同步模塊發(fā)出采集標(biāo)志信號(hào)，采集一幀圖像，通過(guò)寫數(shù)據(jù)模塊產(chǎn)生寫地址和寫信號(hào)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SRAM1中。采集結(jié)束時(shí)，采集標(biāo)志信號(hào)撤消，采集同步模塊復(fù)位，等待下一次采集命令。采集標(biāo)志信號(hào)撤消時(shí)，F(xiàn)PGA1開(kāi)始讀取SRAM1中的圖像信息，這是通過(guò)讀數(shù)據(jù)模塊生產(chǎn)讀地址和讀信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。FPGA1將1幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲去除后，存儲(chǔ)到SRAM2中，并發(fā)信號(hào)給FPGA2。FPGA2通過(guò)FPGA1讀取SRAM2中數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)邊緣檢測(cè)處理后存儲(chǔ)到SRAM3中。FPGA2處理完1幀圖像數(shù)據(jù)后，將SRAM3中的圖像信息讀出傳送給S5933，然后通過(guò)PCI總線傳送到計(jì)算機(jī)中。

在圖像采集過(guò)程中，我們使用的是512×512的圖像，即一幀圖像采集512行，奇數(shù)場(chǎng)和偶數(shù)場(chǎng)各采集256行，每一行采集512個(gè)像素。因此，需要通過(guò)行延時(shí)模塊進(jìn)行行選擇，濾掉無(wú)效行，通過(guò)像素延時(shí)模塊進(jìn)行像素選擇，以選擇需要的像素。

2 圖像采集與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的VHDL設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中FPGA的設(shè)計(jì)是用VHDL編程實(shí)現(xiàn)的。VHDL是一種應(yīng)用非常廣泛的硬件描述語(yǔ)言，它的語(yǔ)言覆蓋面廣，描述能力強(qiáng)；可以描述最抽象的系統(tǒng)級(jí)，也可以描述最精確的邏輯級(jí)、門級(jí)。

本系統(tǒng)是采用結(jié)構(gòu)化VHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)的，整個(gè)圖像采集部分是一個(gè)VHDL語(yǔ)言文件，包括幾個(gè)BLOCK語(yǔ)句。2片F(xiàn)PGA芯片個(gè)有不同的程序，其中FPGA1既包括圖像采集部分，又包括圖像處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分；FPGA2為圖像處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分以及PCI接口控制部分。2片F(xiàn)PGA時(shí)程序加載采用串行主/從模式。FPGA1采用串行主模式，F(xiàn)PGA2采用串行從模式，由FPGA1從SPROM中讀取配置數(shù)據(jù)，完成自身配置，并完成對(duì)FPGA2的配置。圖像采集與數(shù)據(jù)傳送部分的VHDL模塊主要包括Set_sample.vhd、Wr.vhd、Rd.vhd、Delay.vhd、Bus_assign.vhd等，各模塊之間通過(guò)信號(hào)相互聯(lián)系。下面分別介紹各模塊實(shí)現(xiàn)的功能。(限于篇幅，僅給出采集同步模塊的程序。)

（1）Set_sample.vhd采集同步模塊

它是圖像采集部分的一個(gè)塊語(yǔ)句，輸入輸出信號(hào)為：

pcicon0-IN，啟動(dòng)采集圖像信號(hào)；

vref-IN，場(chǎng)參考信號(hào)；

rts0-IN,奇偶場(chǎng)標(biāo)志信號(hào)；

sig_frame-OUT，采集同步輸出信號(hào)，高電平有效，用于圖像采集和總線管理模塊；

sig_field-OUT，采集同步場(chǎng)參考信號(hào)，采集1幀圖像的場(chǎng)參考信號(hào)。

源程序如下：

set_sample:block

signal flagct:std_logic_vector(2 downto 0）；

begin

process(pcicon0,vref)

begin

if(pcicon0='O')then

flagct<="01";

elsif(vref 'event and vref='J')then

if(flagct="001"and rts0='1')then

flagct<="010";

elsif(flagct="010")then

flagct<="011";

elsif(flagct="011")then

flagct<="100";

end if;

end if;

end process;

process(flagct)

begin

if(flagct="010" or flagct="011")then

sig_frame<='1';

else

sig_frame<='0';

end if;

end process;

sig_field<=sig_frame and vref;

end block；

當(dāng)pcicon0引腳再現(xiàn)大于等于場(chǎng)周期(20ms)的低電平信號(hào)時(shí)，可以確保該模塊處于觸發(fā)狀態(tài)，在下一個(gè)奇數(shù)場(chǎng)出現(xiàn)時(shí)，(rts0=1)，根據(jù)SAA7111的場(chǎng)參考信號(hào)產(chǎn)生具有兩場(chǎng)時(shí)寬的采集同步信號(hào)（sig_frame）。該信號(hào)有效時(shí)為圖像采集階段，對(duì)SRAM1寫入數(shù)據(jù)；該信號(hào)撤消時(shí)采集同步模塊自動(dòng)復(fù)位，等待下一次采集命令，同時(shí)FPGA1開(kāi)始讀取SRAM1中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采集同步信號(hào)有效的同時(shí)輸出采集同步場(chǎng)參考信號(hào)，用于采集圖像數(shù)據(jù)。

(2)Delay.vhd延時(shí)模塊

包括行延時(shí)和像素延時(shí)。當(dāng)采集信號(hào)有效時(shí)，在每一場(chǎng)產(chǎn)生行延時(shí)，濾掉無(wú)效行，每一場(chǎng)采集256行；當(dāng)采集信號(hào)有效且行延時(shí)結(jié)束時(shí)，在每一行產(chǎn)生像素延時(shí)，去掉不需要的像素，只采其中的512個(gè)像素。

(3)Wr.vhd寫數(shù)據(jù)模塊

在圖像采集階段，收到行延時(shí)結(jié)束信號(hào)和像素延時(shí)結(jié)束信號(hào)時(shí)，按照SAA7111的參考信號(hào)的輸出時(shí)序，產(chǎn)生相應(yīng)的寫地址，并根據(jù)SRAM的寫時(shí)序產(chǎn)生寫信號(hào)，此時(shí)與SRAM接口的FPGA的I/O口為輸出狀態(tài)。在圖像處理階段向SRAM寫數(shù)據(jù)時(shí)，寫地址的產(chǎn)生不考慮行延時(shí)和像素延時(shí)。

(4)Rd.vhd讀數(shù)據(jù)模塊

在讀SRAM時(shí)，依據(jù)SRAM的讀時(shí)序，產(chǎn)生讀地址和讀信號(hào)。此時(shí)與SRAM接口的FPGA的I/O口為輸入狀態(tài)。

(5)Bus_assign.vhd總線管理模塊

總線管理模塊主要負(fù)責(zé)FPGA與SRAM的地址總線切換、數(shù)據(jù)總線切換，以及在系統(tǒng)中不同芯片之間建立數(shù)據(jù)通路等。FPGA中包括寫數(shù)據(jù)地址模塊和讀數(shù)據(jù)地址模塊，與SRAM地址總線接口時(shí)必須進(jìn)行總線切換：寫數(shù)據(jù)時(shí)，寫地址線接通SRAM的地址線；讀數(shù)據(jù)時(shí)，讀地址線接通SRAM的地址線。FPGA與SRAM數(shù)據(jù)線的接口為雙向口，在寫數(shù)據(jù)時(shí)是輸出口，讀數(shù)據(jù)時(shí)是輸入口，需要設(shè)置三態(tài)控制。在系統(tǒng)中其它芯片之間也有這種情況。

進(jìn)行VHDL設(shè)計(jì)時(shí)，最好各模塊單獨(dú)進(jìn)行并及時(shí)仿真驗(yàn)證，以便盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。系統(tǒng)中其它模塊在此不再敘述。

3 結(jié)論

高速圖像采集系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)是用VHDL設(shè)計(jì)的。通過(guò)建立VHDl行為模型和進(jìn)行VHDL行為仿真，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的問(wèn)題，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的可靠性和效率。實(shí)踐表明：VHDL在硬件設(shè)計(jì)上是非常有效的，它是當(dāng)代電子設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)必須掌握的工具。