SoPC技術(shù)在圖像采集和處理系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)
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1 系統(tǒng)整體方案及硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)要求在FPGA片內(nèi)利用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)便攜式的圖像采集與處理。它通過對(duì)原始圖像的掃描，經(jīng)數(shù)字圖像處理與識(shí)別后即可將得到的大容量的承載信息(包括文字、頭像、指紋等個(gè)人信息)在LCD上顯示，并可通過USB接口將信息拷貝，或通過RS-232接口將信息上傳給PC機(jī)，也可以通過GPRS將獲得的信息方便快捷地發(fā)往數(shù)據(jù)中心作驗(yàn)證。
整個(gè)系統(tǒng)的核心部分是內(nèi)嵌Nios II軟核的FPGA，外圍設(shè)備和芯片包括圖像獲取設(shè)備、顯示器及片外SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
系統(tǒng)的工作過程是：系統(tǒng)配置完成后，視頻獲取設(shè)備獲取視頻圖像，每幀圖像經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換生成圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入預(yù)處理模塊，經(jīng)預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM存儲(chǔ)器，由Nios II處理器進(jìn)行圖像的后續(xù)處理和控制。處理后的圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示。
1.1 圖像采集接口電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用美國OmiVision公司的數(shù)字式彩色CMOS圖像傳感器OV7640。該芯片分辨率為640×480像素，成像速度為30幀/s，采取逐行掃描方式，輸出為數(shù)字信號(hào)。工作原理如圖2。
圖像采集的程序流程是：首先Nios初始化OV7640的各個(gè)寄存器，主要包括狀態(tài)寄存器（STA）、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘控制寄存器(CLKRC)、自動(dòng)增益控制寄存器(AGC)的設(shè)置；然后查詢等待，條碼圖像被OV7640采集進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，通過DMA方式存入SDRAM，Nios再從SDRAM中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。
1.2 基于Nios的SoPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于Nios軟核的SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，包括Nios軟核處理器的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集控制的設(shè)計(jì)、圖像信號(hào)FFT分析的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)顯示以及RS232通信模塊的設(shè)計(jì)等。另外，使用Nios進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)在硬件上必需使用Altera公司的FPGA。
Nios處理器核的硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制合適的CPU和外設(shè)，然后在SoPC和Quartus II中實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)流程中，可以靈活定制Nios CPU的許多特性甚至指令，可以使用Altera提供的IP Core來加快設(shè)計(jì)者開發(fā)Nios外設(shè)的速度并提高外設(shè)性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog自行定制外設(shè)。
系統(tǒng)Nios外設(shè)主要包括：
(1)CMOS圖像傳感器接口模塊。由于Altera沒有提供CMOS圖像傳感器接口模塊，所以使用VHDL編程自行定制。通過VHDL編程設(shè)計(jì)一個(gè)CMOS圖像傳感器控制模塊，采用接入Avalon總線的方式自定制外設(shè)。
(2)由于要對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行FFT運(yùn)算，所以采集的數(shù)據(jù)必須先進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再作FFT計(jì)算。因此，必須設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器和FFT實(shí)現(xiàn)的硬件。
(3)RS232通信電路模塊。RS232通信可以通過串行口UART加上一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。所以，本系統(tǒng)利用SoPC中提供的UART組件來實(shí)現(xiàn)RS232通信接口的設(shè)計(jì)。
(4)LCD液晶顯示模塊。LCD液晶顯示是通過配置Nios的PIO接口來控制的。
除上面所述之外，根據(jù)系統(tǒng)要求，Nios處理器核應(yīng)當(dāng)配置以下組件及接口模塊：cpu、boot_rom（用于系統(tǒng)引導(dǎo)）、uart1(用于系統(tǒng)的仿真調(diào)試)、uart_rs232(用于串口通訊)、Timer1(系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘)、lan_timer(以太網(wǎng)通信用時(shí)鐘)、button_pio(用于參數(shù)設(shè)置)、lcd_pio(用于參數(shù)顯示)、user_logic_ad_nv_ctl和user_logic_ad_power_ctl(自定義的AD轉(zhuǎn)換的接口模塊)、Ethernet(用于以太網(wǎng)通信)、ext_ram(外部SRAM)、dma(用于將采集的數(shù)據(jù)直接存入SRAM中)和ext_flash(外部flash)。
本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器電路實(shí)現(xiàn)的。FIFO存儲(chǔ)器電路主要由一個(gè)雙口RAM模塊(Dual-Port RAM)和狀態(tài)機(jī)模塊(State Machine Table)組成，通過先進(jìn)先出(FIFO)堆棧把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中。其設(shè)計(jì)是在Matlab環(huán)境下利用Altera DSP Builder設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)的。
電路設(shè)計(jì)完成并仿真驗(yàn)證成功后，應(yīng)用DSP Builder中的signal Compiler進(jìn)行編譯分析，經(jīng)signal Compiler轉(zhuǎn)換后可以變成VHDL語言的程序。同時(shí)，在Quartus II中，可以將VHDL語言程序轉(zhuǎn)換成電路符號(hào)，便于應(yīng)用原理圖的方法設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。由FIFO存儲(chǔ)器的VHDL程序生成的電路符號(hào)如圖3所示。在設(shè)計(jì)過程中，需要用到Quartus II軟件和其內(nèi)嵌的IP Toolbench。按照本系統(tǒng)的要求設(shè)置FFT的參數(shù)為：點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，數(shù)據(jù)寬度為12 bit。最后設(shè)計(jì)生成FFT的MegaCore Function模塊，包含一些VHDL程序及其他相關(guān)的文件。由VHDL程序生成的FFT模塊電路符號(hào)如圖4所示。
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2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件部分包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和數(shù)據(jù)采集與處理部分的應(yīng)用程序。在Nios II IDE中將軟件開發(fā)分為兩大部分，一部分是底層系統(tǒng)軟件的開發(fā)，主要完成BSP（板級(jí)支持包）的功能；另一部分則是用戶應(yīng)用軟件的開發(fā)（包括用戶硬件驅(qū)動(dòng)及用戶上層應(yīng)用軟件）。整個(gè)用戶軟件的開發(fā)及調(diào)試工作都可以在Nios II IDE中完成。
2.1 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II在Nios上的移植
在本課題中使用的是μC/OS-II的v2.83版本，源碼可以從Micrium的網(wǎng)站上獲得。同時(shí)還要從網(wǎng)站上獲得μC/OS-II在EDK中使用的配置文件μCOS-II_v2_1_0.mld和μCOS-II_v2_1_0.tcl。將這兩個(gè)文件放到EDK能找到的路徑下，這樣在EDK中才能配置使用μC/OS-II。在EDK中通過菜單Software->Software Platform Settings打開配置窗口，在OS中選擇μC/OS-II，OS Version中選擇 v2.83a，然后進(jìn)入OS & Library對(duì)μC/OS-II進(jìn)行配置。
在Nios II IDE中，可以對(duì)μC/OS-II的源碼位置、BSP包源碼位置、移植程序文件位置、應(yīng)用程序文件位置進(jìn)行修改，同時(shí)還可對(duì)μC/OS-II進(jìn)行剪裁配置，如是否使用事件、互斥信號(hào)量、消息郵箱及任務(wù)是否可刪除等。
2.2 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下的軟件設(shè)計(jì)
μC/OS-II在ALTERA的Nios微處理器上移植并測試完成后，建立了基于μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核的硬件開發(fā)平臺(tái)，但μC/OS-II僅是一個(gè)有源碼的內(nèi)核，在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)外設(shè)的操作需要自行編寫底層的代碼。在此平臺(tái)下進(jìn)一步開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，需要建立相關(guān)的應(yīng)用程序，也就是要根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的要求，劃分不同的任務(wù)，這些任務(wù)交由實(shí)時(shí)內(nèi)核來調(diào)度管理。一般一個(gè)任務(wù)對(duì)應(yīng)于一段獨(dú)立的主程序，它可能調(diào)用各種子程序，并使用各種系統(tǒng)資源，以完成某種特定的功能，并且實(shí)時(shí)內(nèi)核允許多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，使應(yīng)用程序的編寫簡單且易于調(diào)試。
主程序用C語言編寫，其主要程序如下：
void main()
{sys_initialize()；//系統(tǒng)初始化
while(1)
{ad_fft_ctl()；//數(shù)據(jù)采集及FFT計(jì)算子程序
case collection_order： //圖像采集命令
image_collection()；//圖像采集
image_process()；//圖像處理
image_save()；//圖像保存
mps_decoder()；//調(diào)用相應(yīng)的解碼算法
case rs232_transfer：//傳輸數(shù)據(jù)命令
lcd_display(p1，p2，p3)；//LCD液晶顯示子程序
}
}
3 系統(tǒng)調(diào)試與應(yīng)用實(shí)例
調(diào)試包括硬件和軟件調(diào)試。硬件調(diào)試分析電路的設(shè)計(jì)合理性及焊接工藝的可靠性，以保證所設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊合理，重點(diǎn)放在調(diào)試自己所設(shè)計(jì)的IP核和硬件邏輯的可靠性與適用性。軟件調(diào)試主要是集中在系統(tǒng)內(nèi)核的應(yīng)用程序，以保證各個(gè)功能都成功實(shí)現(xiàn)。這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。
3.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試
為了驗(yàn)證FPGA能否正常工作，把CMOS圖像傳感器的輸出連接到Nios II開發(fā)板的擴(kuò)展插座上，編寫VHDL程序，讀取CMOS圖像傳感器的輸出并存儲(chǔ)到FPGA的內(nèi)部RAM中，利用Quartus II的工具In-System Memory Content Editor，讀取內(nèi)部RAM的值。
要設(shè)計(jì)用戶邏輯或者外設(shè)，除了要編寫實(shí)現(xiàn)特定功能的邏輯之外，還要編寫與Avalon總線的接口，這就要求對(duì)Avalon總線的規(guī)范很熟悉。測試結(jié)果表明，程序能夠通過JTAG接口成功下載到FPGA上，顯示在LCD上的運(yùn)行結(jié)果也正確。這說明FPGA、JTAG接口、電源、晶振和LCD顯示等電路均能正常工作。
3.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試
Nios II集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具，所有的開發(fā)任務(wù)都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、調(diào)試程序和下載。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試全部在Nios II IDE下完成，使用C/C++語言編程。
3.3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例——PDF417二維條碼的識(shí)別
二維條碼掃描器開始工作時(shí)，首先采集二維條碼圖像數(shù)據(jù)，由于實(shí)際工作中條碼圖像會(huì)出現(xiàn)污損等情況，對(duì)碼字的正確譯出造成影響，所以必須對(duì)采集到的圖像進(jìn)行降噪、校正等預(yù)處理。條碼圖像為灰度圖像，對(duì)其進(jìn)行二值化才能進(jìn)行碼字識(shí)別。在將PDF417碼的所有碼字正確分割后，以查表方式在碼本中查找與碼字相對(duì)應(yīng)的值，將編碼數(shù)據(jù)譯出。為確認(rèn)掃描的有效性，必須進(jìn)行前向錯(cuò)誤校驗(yàn)。如出錯(cuò)，則進(jìn)行糾錯(cuò)。最后，將譯碼的正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)或LCD顯示。識(shí)別過程如圖5所示。
二維條碼數(shù)據(jù)全部識(shí)別完以后，Nois控制輸出一個(gè)中斷申請(qǐng)信號(hào)，開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。首先選定數(shù)據(jù)傳輸口地址，然后譯碼結(jié)果可通過RS-232接口被送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)接收該譯碼數(shù)據(jù)后，中斷結(jié)束。重復(fù)該過程，直至全部譯碼結(jié)果輸出結(jié)束。整個(gè)軟件處理過程控制在0.3 s以內(nèi)，完全可以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求。
本文對(duì)基于FPGA以及Nios的圖像采集與處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，并在設(shè)計(jì)完成硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)之上，完成了嵌入式操作系統(tǒng)的移植及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用Nios處理器和FPGA，必要的外圍電路和處理器能集中在一塊芯片上，減少了系統(tǒng)體積，簡化了系統(tǒng)規(guī)模，同時(shí)可以方便地進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到Nios處理器上，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率和可靠性。嵌入式圖像處理系統(tǒng)作為一種新型的智能化視覺系統(tǒng)，以其種種優(yōu)點(diǎn)使之具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。研究與推廣嵌入式圖像處理系統(tǒng)無疑是科技進(jìn)步的表現(xiàn)，尤其當(dāng)嵌入式圖像處理系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上時(shí)，必能提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。
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