基于NiosⅡ軟核處理器的圖像數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)的設(shè)計

孟令軍，李鵬飛，安航行，趙 林

(中北大學電子測試技術(shù)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)

責任編輯:魏雨博

基于遙測系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，尤其是在圖像遙測方面的深入研究，當今已經(jīng)實現(xiàn)了在多個領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。本文設(shè)計了一種由全硬件FPGA實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)，以FPGA卓越的并行處理能力為依托，對系統(tǒng)關(guān)鍵模塊進行合理的設(shè)計，將大量運算采用并行處理的方式實現(xiàn)，不僅可以大幅提高數(shù)據(jù)處理度，而且可以極大地提高系統(tǒng)的信息處理能力。同時內(nèi)嵌的Nios II處理器提高了圖像處理速度并精簡了系統(tǒng)的體積。因此，廣泛深化研究基于Nios II的視頻圖像處理技術(shù)，對開發(fā)高成效的視頻圖像采集系統(tǒng)有著廣闊而深遠的理論與現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)原理與基本架構(gòu)

圖像采集存儲系統(tǒng)的主要功能是完成對單路模擬圖像信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換并對轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進行實時采集、存儲，同時系統(tǒng)也可以根據(jù)遙測命令將數(shù)據(jù)通過通信接口上傳給PC或者下發(fā)給對應(yīng)的遙測接收設(shè)備。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖1所示，主要包括4個模塊:圖像獲取模塊，主要實現(xiàn)模擬圖像的采集，為后端信號轉(zhuǎn)換提供輸入;圖像信號轉(zhuǎn)換模塊(A/D)，完成圖像信號由模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換、圖像信號與其它信號的分離、視頻信號的格式轉(zhuǎn)換等，為后端提供可以處理的數(shù)字信號;圖像數(shù)據(jù)處理模塊，接收前一模塊的數(shù)字圖像信號，對數(shù)據(jù)進行計算、存儲和各種處理等，一般數(shù)據(jù)接收可以采用單片機、DSP等實現(xiàn)，本文采用FPGA實現(xiàn);通信模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)與外界的數(shù)據(jù)和命令交互，有多種工業(yè)接口可以選擇。如圖1所示，簡明地表示出了系統(tǒng)內(nèi)各模塊的關(guān)系。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖

2 基于NiosⅡ的嵌入式處理器設(shè)計

SOPC系統(tǒng)的開發(fā)流程主要從硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個方面來進行。硬件開發(fā)的主要目的是使用SOPC Builder搭建Nios II系統(tǒng)，然后在Quartos II中經(jīng)過邏輯綜合、布局布線生產(chǎn)硬件結(jié)構(gòu)，它將處理器、存儲器、I/O接口等系統(tǒng)設(shè)計的功能模塊集成到一個PLD上，構(gòu)成一個可編程的SoC(片上系統(tǒng));根據(jù)設(shè)計的需求來開發(fā)軟件，在Nios II IDE環(huán)境中利用C/C++語言和系統(tǒng)自帶的API函數(shù)編寫實現(xiàn)功能的程序，系統(tǒng)軟件程序主要在Nios II IDE環(huán)境中編寫C語言程序?qū)崿F(xiàn)，主要目的是給VHDL硬件模塊提供模塊啟動、結(jié)束等信號，同時進行一些模塊的配置和時鐘控制，使各模塊都能正常工作，最后將硬件與軟件一起下載到硬件進行聯(lián)合調(diào)試來驗證設(shè)計，如圖2所示。

圖2 構(gòu)建嵌入式處理器模塊(截圖)

3 I2C總線的設(shè)計

IIC(Inter－Integrated Circuit)或I2C即集成電路總線，是PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，主要是用來連接整體電路(ICS)或微控制器及其外圍設(shè)備。它由可同時發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的串行總線:數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成。所有接到I2C總線設(shè)備上的串行數(shù)據(jù)SDA都接到總線的SDA上，各設(shè)備的時鐘線SCL接到總線的SCL上。I2C總線上允許連接多個微處理器以及各種外圍設(shè)備，如存儲器、LED及LCD驅(qū)動器、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器等，串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標準模式下可達100 kbit/s快速模式下可達400 kbit/s高速模式下可達4 Mbit/s。它在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型信號:開始信號、結(jié)束信號和應(yīng)答信號。在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件(如圖3所示):當SCL保持“高”時，SDA由“高”變?yōu)椤暗汀睘殚_始條件;當SCL保持“高”且SDA由“低”變?yōu)椤案摺睍r為停止條件。開始和停止條件均由主控制器產(chǎn)生。

圖3 I2C數(shù)據(jù)傳輸圖

在硬件開發(fā)時，需要在軟核中添加2個IO模塊(如圖4)，并將其命名為 SCL和 SDA，其中，SCL為output ports only(僅輸出)，SDA 為 Bidirection(tristate)port(雙向)，建好以后，如圖4所示。

圖4 SOPC中構(gòu)建I/O模塊

4 視頻處理芯片ADV7180

在系統(tǒng)設(shè)計中，采用了可以實現(xiàn)模擬圖像信號到數(shù)字圖像信號轉(zhuǎn)換的是ADI公司推出的一款10位、4倍過采樣的視頻圖像解碼器ADV7180，它可實現(xiàn)對多格式模擬視頻信號采樣分析。ADV7180接口設(shè)計極為簡單，只需要通過設(shè)計簡單的數(shù)字輸出接口ADV7180便可以與各種編解碼器、移動視頻處理器及ADI公司的數(shù)字圖像壓縮芯片(如ADV212等)實現(xiàn)無縫連接。同時，與其數(shù)據(jù)同步輸出的HS、VS、數(shù)據(jù)時鐘和FIELD信號也可為LCD控制器和其它視頻解碼芯片提供時序基準，擴展非常方便。由于在設(shè)計中不對其寄存器進行讀數(shù)操作只進行寫配置操作，所以，在設(shè)計中將其ALSB管腳直接接地。在系統(tǒng)中ADV7180是掛載在I2C總線上的I2C從設(shè)備，總線通過從設(shè)備地址識別ADV7180進而完成對其進行配置。解碼器ADV7180要實現(xiàn)正常轉(zhuǎn)換功能必須與I2C總線的正確配置。系統(tǒng)控制核心Nios II軟核在獲取啟動信號后啟動I2C控制器完成芯片配置，啟動芯片開始工作。正確配置后啟動ADV7180可以自動檢測輸入的視頻信號制式，并將相應(yīng)的模擬信號轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)字信號輸出來，關(guān)鍵處理如何正確配置ADV7180中各寄存器。

5 USB通信模塊

根據(jù)設(shè)計時提出的要求，既要實現(xiàn)設(shè)備控制，又要完成高速數(shù)據(jù)傳輸，為了滿足需要選用了Cypress公司的EZUSB FX2接口芯片CY7C68013。它采用通用可編程接口(GPIF)方式通過FPGA與Flash進行數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)的讀取通過GPIF口來實現(xiàn)，命令的下發(fā)通過PE口來實現(xiàn)。PE口是單一功能口，只要在固件架構(gòu)中的初始化程序中將PE口使能為輸出口，在主程序中接收通過上位機下發(fā)的命令，然后通過PE口將相應(yīng)命令值輸出，F(xiàn)lash控制器根據(jù)接收到的PE口的不同命令對Flash進行不同的操作。GPIF是一個對于FX2端點FIFO的內(nèi)部主控制器，它代替了外部的“膠合”邏輯電路，在整個數(shù)據(jù)讀取過程中，為了匹配USB2.0于FPGA內(nèi)部Flash控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸，硬件擴展了16 kbyte的硬FIFO(IDT7206)來匹配讀數(shù)時序來完成Flash數(shù)據(jù)的讀取。

6 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果及分析

通過Quartus II下的嵌入式邏輯分析儀SignalTap II Logic Analyzer對圖像數(shù)據(jù)上傳進行了實時采樣的時序分析，圖5是8位圖像數(shù)據(jù)和PIC_Decoder模塊中數(shù)據(jù)寄存器DATA_REG關(guān)系圖。經(jīng)過上位機軟件還原數(shù)據(jù)后，得到的圖片信息清晰無誤碼率，達到了預設(shè)的效果，可進一步完善用于實際應(yīng)用。

圖5 SignalTap處理后的邏輯圖(截圖)

［1］凌六一，伍龍.基于軟件模擬的51單片機IIC總線的實現(xiàn)［J］.電子技術(shù)，2004(05):13－15.

［2］祝長鋒.肖鐵軍.基于FPGA的視頻圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，9(17):4404－4406.

［3］陳國柱，劉濤，李元宗.基于FPGA的圖像采集與存儲系統(tǒng)的設(shè)計［J］.機械工程與自動化，2007，8(4):44－45.

［4］張國兵，孟令軍，李寶剛.CCD相機高速數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中的無縫緩存技術(shù)［J］.水電能源科技，2010，2(2):70－71.