基于NiosⅡ的圖像采集系統(tǒng)設計

孟令軍，尹維漢，彭晴晴，李 柱

(中北大學 電子測試技術國家重點實驗室儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

NiosⅡ是Altera特有的基于通用FPGA構(gòu)架的軟CPU內(nèi)核。和傳統(tǒng)的單片機及單片機系統(tǒng)相比，NiosⅡ處理器具有速度快、高度的靈活性和可配置性及設計流程簡單等優(yōu)點［1-2］。

圖像采集是圖像信號處理系統(tǒng)的前端部分。圖像采集系統(tǒng)在當今工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)和醫(yī)學等領域都有著極其廣泛的應用［3］。文中提出了一種基于NiosⅡ處理器的圖像采集系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。該方法經(jīng)過適當修改可應用于對多種場合的圖像采集。

1 硬件平臺設計

該圖像采集系統(tǒng)硬件電路主要由FPGA模塊、SRAM、SDRAM、OV7725攝像頭、AL422B緩存、USB接口模塊等部分組成，各模塊之間的關系如圖1所示。系統(tǒng)中FPGA采用Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C35F484C8N芯片，該芯片資源豐富，可方便系統(tǒng)的擴展，系統(tǒng)軟核在FPGA芯片上構(gòu)建，部分外圍邏輯單元使用FPGA芯片的IP核或用VHDL程序設計;攝像頭模塊采用OmmiVision公司生產(chǎn)的圖像傳感器OV7725，該圖像傳感器體積小，工作電壓低，能夠提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，通過SCCB總線控制;AL422B是由AVERLOGIC公司開發(fā)的一款緩存芯片，在系統(tǒng)中作為攝像頭模塊數(shù)據(jù)FIFO;USB接口模塊基于FT245芯片設計，為系統(tǒng)與上位機的接口，用于接收計算機指令及向計算機上傳圖像數(shù)據(jù);此外，系統(tǒng)硬件還包括外部SRAM及SDRAM存儲器模塊等。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 SOPC設計

該系統(tǒng)SOPC部分主要包括NiosⅡ處理器模塊、PLL模塊及系統(tǒng)復位控制模塊等，其中Altera公司的NiosⅡ是基于RISC架構(gòu)的嵌入式處理器軟內(nèi)核，是系統(tǒng)的SOPC部分的核心模塊。根據(jù)該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，選擇了合適的CPU和外部設備，構(gòu)建了系統(tǒng)的NiosⅡ處理器模塊，如圖2所示，主要包括CPU核及以下幾種外設:OV7725攝像頭，SCCB控制接口，AL422B圖像數(shù)據(jù)接口，SRAM、SDRAM、USB接口等。

圖2 NiosⅡ處理器結(jié)構(gòu)圖(截圖)

3 NiosⅡ程序設計

NiosⅡ程序采用C語言編寫，為系統(tǒng)核心控制程序，主要功能包括:攝像頭的初始化、圖像數(shù)據(jù)的采集、圖像數(shù)據(jù)的存儲、上位機指令的接收、圖像數(shù)據(jù)的上傳等。主程序流程圖如圖3所示，系統(tǒng)上電后，先通過SCCB總線完成對OV7725攝像頭的初始化，幀計數(shù)VSYNC賦初值0;主程序接收由據(jù)攝像頭場同步信號(VSYNC)上升沿產(chǎn)生的中斷請求，幀計數(shù)VSYNC值加1;當幀計數(shù)VSYNC值為1時，主程序打開AL422B緩存的寫使能，等待攝像頭場同步信號中斷請求，當中斷請求到來時，幀計數(shù)VSYNC值加1;當幀計數(shù)VSYNC值為2時，主程序關閉AL422B緩存的寫使能、幀計數(shù)VSYNC賦值0，同時主程序從AL422B緩存中讀取1幀圖像數(shù)據(jù)，并保存到SRAM中;判斷USB口是否有指令數(shù)據(jù)寫入，即上位機是否發(fā)送圖像數(shù)據(jù)請求指令，如果有則從SRAM中讀取最近寫人的1幀圖像數(shù)據(jù)并通過USB口發(fā)送給上位機顯示，發(fā)送完畢后主程序返回等待場同步信號的中斷請求，并循環(huán)執(zhí)行對攝像頭圖像數(shù)據(jù)的采集。對主程序及上位機做適當修改，該系統(tǒng)便可實現(xiàn)對圖像數(shù)據(jù)的實時顯示;根據(jù)需要也可在主程序中加入一定的圖像處理功能。

圖3 NiosⅡ主程序流程圖

4 上位機軟件設計

上位機軟件是該圖像采集系統(tǒng)的控制軟件，為人機對話接口。上位機功能主要包括:通過USB口向NiosⅡ處理器發(fā)送圖像申請指令來獲取系統(tǒng)所采集到的圖像數(shù)據(jù)，顯示圖像，將圖像數(shù)據(jù)保存到計算機硬盤中等。上位機軟件使用可視化程序設計語言VB所設計，能夠在Windows 7/XP操作系統(tǒng)上運行［4］。通過對該軟件的功能擴展可實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實時顯示，并可實現(xiàn)較為復雜的圖像數(shù)據(jù)處理功能。

5 測試結(jié)果分析

通過實際測試，系統(tǒng)各項性能指標均達到了設計目標要求，系統(tǒng)測試結(jié)果如圖4所示。

該圖像采集系統(tǒng)可擴展性強，在不修改系統(tǒng)硬件的前提下，只需對NiosⅡ主程序及上位機做適當修改，便可使該系統(tǒng)具有一定的圖像處理功能或作為不同應用系統(tǒng)的前端圖像采集子系統(tǒng)。

圖4 系統(tǒng)測試結(jié)果(截圖)

［1］趙貽玖，王厚軍，戴志堅.基于NIOS處理器的數(shù)字示波表設計［J］.儀器儀表學報，2006，27(6):1484-1485.

［2］蔡偉綱.NiosⅡ軟件架構(gòu)解析［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.

［3］楊曉，王紅亮.基于FPGA控制的圖像采集和存儲系統(tǒng)［J］.火力與指揮控制，2010，35(9):124-126.

［4］龔敬，孟令軍，嚴帥，等.多通道數(shù)字脈沖發(fā)生器的SoPC實現(xiàn)［J］.電視技術，2011，35(15):71-73.