基于NiosⅡ的圖像采集和顯示的實(shí)現(xiàn)

    從圖1可以看出，系統(tǒng)的采集、存儲(chǔ)和顯示模塊的控制器都是在EP1C6Q240C8這塊FPGA上完成。
2.2 FPGA中的電路設(shè)計(jì)
    在FPGA中需要設(shè)計(jì)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(shí)間參數(shù)，才能正常、穩(wěn)定地工作。本系統(tǒng)采用的SDRAM型號(hào)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(gè)控制器都用硬件描述語言寫用戶邏輯，創(chuàng)建Alvalon Slave接口，直接連接到DMA控制器的主端口。通過NiosII CPU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(shí)，需要設(shè)計(jì)兩個(gè)DMA控制器，一個(gè)用做圖像數(shù)據(jù)采集通道，一個(gè)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(chǔ)單元來做緩存與雙口RAM相比，不需要設(shè)計(jì)地址發(fā)生器，減少了FPGA內(nèi)部的邏輯綜合布線。具體設(shè)計(jì)包括兩部分：第一部分采用硬件描述語言設(shè)計(jì)CMOS采集和液晶顯示模塊的時(shí)序發(fā)生器；第二部分是在NiosⅡ IDE環(huán)境下，用C語言編寫DMA初始化和控制程序。
    CMOS采集時(shí)序模塊和TFT液晶時(shí)序發(fā)生模塊都需要嚴(yán)格按照CMOS圖像傳感器和TFT液晶顯示的時(shí)序設(shè)計(jì)。在CMOS采集控制器和液晶控制器的設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)好時(shí)序產(chǎn)生模塊的邏輯，同時(shí)采集和顯示的數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)到資源有限的FIFO中。在EP1C6Q240C8內(nèi)部，由于只有20個(gè)M4K的存儲(chǔ)單元，所以資源有限。在CMOS采集控制器中，會(huì)占用11位深度2KB的FIFO存儲(chǔ)單元；QVGA分辨率(320×240)，液晶顯示模塊要設(shè)計(jì)9位深度512B的FIFO存儲(chǔ)單元做顯存才能滿足要求。
    用硬件描述語言設(shè)計(jì)采集時(shí)序模塊和液晶時(shí)序發(fā)生模塊的控制器。在Quartus Ⅱ Simulator中模擬的液晶時(shí)序發(fā)生控制器波形如圖4所示。

    CMOS圖像采集時(shí)序與TFT液晶時(shí)序類似。
    在SOPC平臺(tái)中，要設(shè)計(jì)CMOS傳感器與Avalon的接口，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SDRAM，掛接到Avalon總線上。本系統(tǒng)CMOS采集時(shí)序模塊和TFT液晶時(shí)序發(fā)生模塊都設(shè)計(jì)成為Avalon的從設(shè)備，需要用到address、clk、reset、chipselect、read、readdata、begintransfer、endofpacket引腳。
    設(shè)計(jì)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(shí)序進(jìn)行。從圖5的傳輸時(shí)序可以看出，流模式的數(shù)據(jù)傳輸與FIFO的傳輸時(shí)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Nios Ⅱ的主端口的時(shí)鐘是內(nèi)部總線的時(shí)鐘，本系統(tǒng)采用80MHz。也就是說，用流模式傳輸?shù)淖畲髱捘苓_(dá)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(guān)鍵為SDRAM的存儲(chǔ)部分。在SOPC的設(shè)計(jì)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(shí)間就會(huì)增加，從而造成SDRAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度下降。當(dāng)連接到SDRAM控制器的主端口過多時(shí)，就會(huì)成為圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 NiosII IDE軟件環(huán)境
    系統(tǒng)硬件要正確運(yùn)行，還需要在NiosⅡ IDE的軟件環(huán)境中正確地配置兩路DMA的控制寄存器，同時(shí)設(shè)計(jì)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(qū)動(dòng)程序，允許用戶使用HAL應(yīng)用程序接口(API)函數(shù)訪問外設(shè)，所以用戶能方便地操作底層硬件。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，HAL層采用NiosⅡIDE提供的驅(qū)動(dòng)程序，在altera_avalon_dma_regs.h文件中定義了各個(gè)DMA的控制寄存器和各個(gè)位控單元的宏定義，為編程提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的頭文件。雖然altera_avalon_dma.c文件中也提供了一些標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)DMA的初始化及后續(xù)的圖像數(shù)據(jù)插補(bǔ)。DMA控制器寄存器都是32位，共有8個(gè)寄存器(包括與Nios相比新增加的3個(gè)寄存器)，包括狀態(tài)寄存器、源地址寄存器、目標(biāo)地址寄存器、長度寄存器及控制寄存器等。
3.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程
    實(shí)現(xiàn)CMOS圖像采集到液晶顯示的軟件流程如圖6所示。

    整個(gè)系統(tǒng)中，初始化DMA是關(guān)鍵，其初始化流程如圖7所示。

    以下給出DMA初始化的源代碼：
np_dma*dma_cmos_con；
dma_cmos_con=( np_dma*)DMA_0_BASE；
np_dma* pdma=(np_dma*)dma_cmos_con；
alt_irq_register(DMA_0_IRQ，(void*)pdma，(void*)isr_dma)；
pdma->np_dmacontrol=0；
pdma->np_dmastatus=0；
pdma->np_dmalength=1600*1200；
pdma->np_dmareadaddress=(int)Sdram_address；
pdma->np_dmawriteaddress=(int)na_cmos_cont；
pdma->np_dmacontrol=
np_dmacontrol_go_mask |
np_dmacontrol_i_en_mask |
np_dmacontrol_byte_mask |
np_dmacontrol_reen_mask |
np_dmacontrol_rcon_mask |
np_dmacontrol_leen_mask；
    在注冊DMA設(shè)備的函數(shù)中，NiosⅡ會(huì)調(diào)sys_dev_init函數(shù)完成DMA HAL層的初始化，同時(shí)指明中斷服務(wù)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(shù)，則需要轉(zhuǎn)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NiosⅡ IDE的軟件環(huán)境中靈活處理。

    圖8便是最終調(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CompactFlash Card接口協(xié)議模擬出CF卡的控制器，同時(shí)在NiosⅡIDE的環(huán)境中通過對采集到的RAW圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行整理插補(bǔ)還原，按照FAT16的文件系統(tǒng)寫到CompactFlash Card中。