基于SOPC的運(yùn)動(dòng)視覺處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著深亞微米工藝的發(fā)展， FPGA的容量和密度不斷增加，以其強(qiáng)大的并行乘加運(yùn)算（MAC）能力和靈活的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)性，被廣泛應(yīng)用于通信、圖像等許多領(lǐng)域。但是在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA不如嵌入式處理器方便，所以在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí)，往往需要和嵌入式處理器結(jié)合使用，這就是 SOPC（System on a Programmable chip，可編程片上系統(tǒng)）技術(shù)。 SoPC是 SoC和 FPGA結(jié)合的產(chǎn)物，由單個(gè)可編程重構(gòu)的芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要功能。SoPC設(shè)計(jì)靈活多變，可以用原理圖，硬件描述語言甚至是 C/C++高級(jí)語言進(jìn)行設(shè)計(jì)；同時(shí)還具有可重構(gòu)、可裁減、可擴(kuò)充等特點(diǎn)，升級(jí)方便。 SoPC兼?zhèn)?SoC和 FPGA二者的優(yōu)點(diǎn)，具有如下特點(diǎn)：

　　●豐富的 IP核資源，包括通用 IP核和專用的 IP核

　　●在系統(tǒng)可編程，設(shè)計(jì)、編譯、下載與調(diào)試簡(jiǎn)單方便

　　●內(nèi)置嵌入式軟核處理器，存儲(chǔ)器，外設(shè)接口控制器

　　●大量可編程重構(gòu)的邏輯資源

　　●功能強(qiáng)大的時(shí)鐘管理電路

　　●支持多種 I/O接口標(biāo)準(zhǔn)

此外，由于減小了處理器和存儲(chǔ)器之間的傳輸線距離，SoPC無論在速度，還是信號(hào)完整性，電磁兼容等方面，比板級(jí)系統(tǒng)都有明顯的優(yōu)越性。

1 功能框圖

在數(shù)字視頻視覺采集與處理板級(jí)系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)上，本文采用 SoPC實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)視覺處理與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。硬件采用 Altera公司 StratixII系列 FPGA，軟件開發(fā)工具包括 QuartusII，NiosII5.1 IDE，DSP Builder，MegaCore IP Library5.1和 Matlab7.0等。整個(gè) SoPC系統(tǒng)工作原理為：攝像頭采集的視頻圖像數(shù)據(jù)由圖像傳感器接口進(jìn)來；數(shù)字信號(hào)處理塊和數(shù)字圖像與數(shù)字視頻處理 IP核完成視頻圖像的處理，如運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、分割、特征提取、壓縮等； Nios II嵌入式處理器主要完成整個(gè)系統(tǒng)的控制功能；I2C總線用于訪問 CMOS圖像傳感器的內(nèi)部寄存器；PC機(jī)可以通過 USB接口訪問 SoPC，如果距離較遠(yuǎn)的話，可以通過以太網(wǎng)口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；視頻圖像及其處理后的結(jié)果既可以通過外部存儲(chǔ)器接口存放在 CF卡， FLASH等存儲(chǔ)介質(zhì)中，也可以通過 LCD顯示器接口在液晶顯示屏上直接顯示。該運(yùn)動(dòng)視覺 SoPC的功能框圖如圖 1所示：

該模塊主要負(fù)責(zé)視頻圖像的采集，攝像頭參數(shù)的設(shè)置和云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的控制。其中，通過 I2C總線可以設(shè)定攝像頭內(nèi)部控制寄存器。在 FPGA中，實(shí)現(xiàn) I2C總線控制器的途徑有兩種：一種是在 Nios II中用軟件模擬實(shí)現(xiàn)；另一種是采用第三方，比如 Sciworx，CAST，Digital Core Design等公司提供的 IP核。這些 IP核具有工作參數(shù)，可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。以 CAST公司提供的 I2C總線控制器為例，傳輸速率最高為 100Kbps，可以工作在 4種模式下，分別是主發(fā)送器模式、主接收器模式、從發(fā)送器模式和從接收器模式。雙路 CMOS圖像傳感器接口控制視頻圖像采集的時(shí)序，幀同步和行同步；云臺(tái)控制信號(hào)是根據(jù)視頻圖像處理后的結(jié)果，控制云臺(tái)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩個(gè)模塊需要自己開發(fā)，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 IP核。

3 視頻圖像處理模塊

該模塊包括 NiosII 32位嵌入式處理器，數(shù)字信號(hào)處理塊，數(shù)字圖像與數(shù)字視頻處理 IP MegaCore，以及其他一些邏輯電路，這是運(yùn)動(dòng)視覺處理與控制 SoPC設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和核心，分別分以下幾個(gè)部分介紹。

（1） Nios II嵌入式處理器

Nios II嵌入式處理器是一款通用的 RISC結(jié)構(gòu)的 CPU，它定位于廣泛的嵌入式應(yīng)用。在 Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境中，按照操作提示添加、設(shè)置相關(guān)參數(shù)，在幾分鐘之內(nèi)就能生成一個(gè) Nios II嵌入式處理器。其硬件開發(fā)過程為：

① 分析系統(tǒng)所要完成的功能、達(dá)到的性能

② 啟動(dòng) SOPC Builder，選取具體的 FPGA型號(hào)

③ 定義 CPU，外圍器件，存儲(chǔ)系統(tǒng)等模塊

④ 為各個(gè)模塊分配基地址和中斷請(qǐng)求號(hào)（IRQ）

⑤ 生成 Nios系統(tǒng)模塊，引腳鎖定，編譯軟件開發(fā)過程為：

　?、?在 SOPC Builder中啟動(dòng) Nios II IDE

　?、?創(chuàng)建 C/C++軟件工程，并指定目標(biāo)硬件

　?、?利用工程模本編寫相應(yīng)的程序

　?、?編譯后，即可下載到硬件中運(yùn)行

Nios II IDE中可以采用 C/C++或者匯編語言進(jìn)行程序的編寫，其文件擴(kuò)展名分別為 .c和.s。一個(gè)單獨(dú)的 Nios II/f CPU大約需要占用 1800個(gè) LEs，如果再添加一些定時(shí)器，外圍器件等，那么占用的邏輯單元會(huì)進(jìn)一步增加。