FPGA芯片EPXA10在圖像處理中的應(yīng)用

      本文所介紹的圖像驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)正是應(yīng)用了EPXA10的這些特點(diǎn)，充分發(fā)揮了FPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單處理速度快的優(yōu)勢(shì)以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
1 內(nèi)嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特點(diǎn)
　　EPXA10單片集成了ARM核、高密度的FPGA、存儲(chǔ)器及接口和控制模塊，不僅簡(jiǎn)化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲(chǔ)器以及和外設(shè)通訊變得相對(duì)簡(jiǎn)單；同時(shí)通過(guò)在FPGA中嵌入各種IP核和用戶(hù)控制邏輯可以實(shí)現(xiàn)各種接口和控制任務(wù)。這樣的高度集成化不僅大大加快了ARM與片內(nèi)各種資源的通訊速度，而且減小了硬件電路的復(fù)雜性、體積和功耗，真正實(shí)現(xiàn)了SOPC。
　　EPXA10內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要分為嵌入式處理器和FPGA兩部分。

1.1 嵌入式微處理器ARM922T
　　EPXA10嵌入式處理器部分集成了業(yè)界領(lǐng)先的32位ARM處理器(ARM922T)，工作頻率可達(dá)200MHz；支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb擴(kuò)展指令集；具有全性能的內(nèi)存管理單元以及8K的指令緩存和8K數(shù)據(jù)緩存，以支持實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。
1.2 高密度的FPGA
　　EPXA10片內(nèi)FPGA部分具有1000000門(mén)可編程邏輯、3MB的內(nèi)置RAM和512個(gè)可供用戶(hù)使用的I/O管腳，可以通過(guò)嵌入各種IP核實(shí)現(xiàn)各種標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)接口(如PCI、USB等)。
1.3 先進(jìn)的存儲(chǔ)支持
　　EPXA10嵌入式處理器部分集成了256KB單口SRAM和128KB雙口SRAM；同時(shí)集成了兩個(gè)先進(jìn)的存儲(chǔ)支持：(1)SDRAM控制器，用于控制單倍速/雙倍速SDRAM。SDRAM的各種工作狀態(tài)是依據(jù)信號(hào)線(xiàn)上提供的不同控制時(shí)序來(lái)確定的，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。有了SDRAM 控制器的支持，只需要在Altera公司提供的EDA開(kāi)發(fā)軟件Quartus II中設(shè)置好SDRAM工作所需的各種參數(shù)，就可以按照直接給出指令、地址和數(shù)據(jù)的方式對(duì)SDRAM進(jìn)行操作，控制器會(huì)自動(dòng)將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時(shí)序，大大降低了對(duì)SDRAM的控制難度。(2)擴(kuò)展總線(xiàn)接口(EBI)，可外接4個(gè)存儲(chǔ)設(shè)備，如閃速存儲(chǔ)器、SRAM等，總?cè)萘扛哌_(dá)128MB。其中EBI接口0外接閃速存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)用戶(hù)的軟件、硬件設(shè)計(jì)代碼。
1.4 方便的接口模塊
　　EPXA10嵌入式處理器部分嵌入了串口通訊模塊(UART)，可以不用編程直接實(shí)現(xiàn)ARM與超級(jí)終端之間的串行通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)視軟件的運(yùn)行情況。如果要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與ARM之間的數(shù)據(jù)傳遞存儲(chǔ)，只需用戶(hù)編寫(xiě)基于VC++語(yǔ)言的串口通訊程序，這需要用到Microsoft公司提供的MSComm串行通訊控件。
1.5 靈活的啟動(dòng)方式
　　EPXA10共有兩種啟動(dòng)方式：(1)從ARM啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外閃速存儲(chǔ)器中，而且設(shè)計(jì)中必須包含對(duì)ARM的應(yīng)用。啟動(dòng)時(shí)ARM為主動(dòng)，配置各種寄存器及FPGA，執(zhí)行軟件代碼。(2)從FPGA啟動(dòng)。這種啟動(dòng)方式需要將設(shè)計(jì)下載到片外E2PROM中，而且設(shè)計(jì)中可以只包含F(xiàn)PGA部分的應(yīng)用。啟動(dòng)時(shí)FPGA為主動(dòng)，ARM處于復(fù)位狀態(tài)，配置完成后，如果有對(duì)ARM的應(yīng)用，則ARM解除復(fù)位，執(zhí)行軟件代碼；反之，ARM一直處于復(fù)位狀態(tài)。
2 EPXA10的工作方式
　　EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線(xiàn)AHB1、AHB2，分別用于片內(nèi)各種資源的通訊，如圖1所示?；贏HB1、AHB2總線(xiàn)，EPXA10的工作方式大致可分為三種：(1)ARM作為AHB1總線(xiàn)的主控，直接訪(fǎng)問(wèn)AHB1總線(xiàn)的從屬資源，包括SDRAM 控制器、片上SRAM、中斷控制器等。(2)ARM作為AHB1總線(xiàn)的主控，通過(guò)AHB1-2 橋訪(fǎng)問(wèn)AHB2總線(xiàn)上的從屬資源，包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD 橋等，同時(shí)通過(guò)Stripe-To-PLD橋?qū)PGA進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)和控制。(3)FPGA通過(guò)AHB2的總線(xiàn)主控 PLD-To-Stripe橋訪(fǎng)問(wèn)AHB2總線(xiàn)上的從屬資源，包括SRAM、SDRAM控制器、UART等。
　　EPXA10片內(nèi)集成了軟件可編程鎖相環(huán)路(PLL)，為微控制器總線(xiàn)及SDRAM控制器提供了靈活精確的時(shí)鐘基準(zhǔn)。
3 EPXA10在圖像驅(qū)動(dòng)和處理方面的應(yīng)用

本文所述的圖像驅(qū)動(dòng)和處理系統(tǒng)主要利用FPGA邏輯控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、對(duì)大量數(shù)據(jù)做簡(jiǎn)單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。在芯片F(xiàn)PGA部分，構(gòu)造了CMOS驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數(shù)據(jù)。然后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊存入片外SDRAM中，并經(jīng)串口傳入PC機(jī)，要將圖像數(shù)據(jù)在PC機(jī)中顯示成圖像，還需編寫(xiě)基于CDib類(lèi)的圖像顯示程序；同時(shí)將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)芯片ARM部分的圖像處理算法(本系統(tǒng)采用Sobel算子)處理，處理后的圖像數(shù)據(jù)才能經(jīng)串口傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示。為了驗(yàn)證基于ARM的圖像處理算法實(shí)現(xiàn)的正確性，還將這一算法在PC機(jī)中進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，最后針對(duì)同一幅圖像，將兩種實(shí)現(xiàn)的結(jié)果進(jìn)行了比較。

3.1 圖像的驅(qū)動(dòng)
3.1.1 CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)
　　要使CMOS圖像傳感器成像，必須設(shè)計(jì)正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，包括行同步、列同步、場(chǎng)同步及曝光時(shí)間設(shè)定等時(shí)序。利用FPGA邏輯編程簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，用硬件描述語(yǔ)言Verilog HDL編程，可在FPGA中實(shí)現(xiàn)CMOS圖像傳感器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，該驅(qū)動(dòng)時(shí)序的仿真結(jié)果如圖3所示。圖中，ld_y為行選通信號(hào)；ld_x為列選通信號(hào)；cal為場(chǎng)選通信號(hào)；clk_adc為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器所需的時(shí)鐘；addr為行列地址線(xiàn)；sys_reset為曝光時(shí)間設(shè)定信號(hào)；s和r為內(nèi)部放大器選通信號(hào)。

3.1.2 圖像的采集
　　CMOS圖像傳感器輸出的信號(hào)為數(shù)字信號(hào)(即數(shù)字圖像數(shù)據(jù))，所以圖像的采集要通過(guò)FPGA中的數(shù)據(jù)接收模塊將圖像數(shù)據(jù)保存到片外SDRAM中。數(shù)據(jù)接收模塊狀態(tài)機(jī)如圖4所示。標(biāo)志Flag為1，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。因?yàn)镃MOS圖像傳感器在每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘周期輸出一個(gè)數(shù)據(jù)(如圖3所示)，接收模塊也相應(yīng)地設(shè)計(jì)成一個(gè)時(shí)鐘接收周期接收一個(gè)數(shù)據(jù)(Burst狀態(tài))，這樣也就發(fā)揮了FPGA對(duì)大量數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)勢(shì)。

3.1.3 圖像的顯示
　　ARM將SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳給計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)中用VC++語(yǔ)言編寫(xiě)串口協(xié)議和圖像顯示程序，將CMOS圖像傳感器采集到的圖像顯示在屏幕上，以便于監(jiān)測(cè)驗(yàn)證。
3.2 圖像的處理
　　本系統(tǒng)采用的圖像處理算法基于Sobel邊緣檢測(cè)算子。圖像的邊緣是由灰度不連續(xù)性所反映的，是圖像的最基本信息。邊緣檢測(cè)算子檢查每個(gè)像素的鄰域并對(duì)灰度變化率進(jìn)行量化，也包括方向的確定，大多數(shù)使用基于方向?qū)?shù)掩模求卷積的方法。就sobel算子而言，如圖5所示，采用了兩個(gè)3×3卷積核形成邊緣算子模板，緊鄰中心像素的像素有4個(gè)，和中心像素成斜對(duì)角的像素也有4個(gè)，距離中心像素近的模板值的系數(shù)為2，成斜對(duì)角的比較遠(yuǎn)，所以其系數(shù)為1，該系數(shù)反映了這樣一點(diǎn)：鄰域?qū)Ξ?dāng)前像素的灰度梯度的影響程度越近影響越大，越遠(yuǎn)影響越小。圖像中的每個(gè)點(diǎn)都用這兩個(gè)核做卷積，一個(gè)核對(duì)垂直邊緣響應(yīng)最大，而另一個(gè)核對(duì)水平邊緣響應(yīng)最大，兩個(gè)卷積的最大值作為該點(diǎn)的輸出位，反映了當(dāng)前位置灰度梯度(圖像邊緣)的主要方向和大小。運(yùn)算結(jié)果反映了一幅邊緣幅度圖像。

　　因?yàn)榕臄z的圖像為1024×1024，采用的Sobel算子為3×3模板，所以圖像周邊的一圈像素(第1行、第1024行、第1列、第1024列)保持原灰度值。在圖像的第2行2列到1023行1023列的范圍內(nèi)，用圖5所示的算子模板進(jìn)行掃描計(jì)算，即當(dāng)前像素和與當(dāng)前像素相鄰的8個(gè)像素，分別與模板中位置相應(yīng)的9個(gè)系數(shù)相乘，累加這9個(gè)乘積結(jié)果，就得到針對(duì)某一方向的灰度梯度。比較兩個(gè)方向的計(jì)算結(jié)果，取最大者作為當(dāng)前位置的灰度梯度。圖7為圖6經(jīng)過(guò)Sobel算子進(jìn)行邊緣提取后得到的圖像。該算法在ARM中是基于C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，體現(xiàn)了ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
　　圖6是成功驅(qū)動(dòng)CMOS圖像傳感器后拍攝的景物圖像，可見(jiàn)圖像非常清晰。本文分別針對(duì)Soble算子進(jìn)行了基于PC機(jī)和基于ARM的實(shí)現(xiàn)，圖7為圖6經(jīng)過(guò)ARM中的Sobel算子的邊緣提取結(jié)果，圖8為圖6經(jīng)過(guò)PC機(jī)中Sobel算子的邊緣提取結(jié)果，圖9為圖7和圖8逐像素的比較結(jié)果?？梢?jiàn)兩種實(shí)現(xiàn)方法得到的結(jié)果完全一致，說(shuō)明了基于ARM的Sobel算子的實(shí)現(xiàn)是正確的。

　由于EPXA10集成了先進(jìn)的ARM922T處理器器以及高密度的FPGA，所以在不增加體積和改進(jìn)硬件電路的情況下，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的圖像處理算法和硬件控制邏輯設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展?jié)摿?。這種嵌入式方案必將成為集成電路的發(fā)展趨勢(shì)，將會(huì)在未來(lái)較短的時(shí)間里得到快速的發(fā)展。