基于ARM和FPGA的嵌入式高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)

現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)圖像采集系統(tǒng)要求日益提高。傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)大都是基于PC機(jī)上，而在一些特殊的場(chǎng)合，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，普通的PC機(jī)顯然無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用要求。文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM和FPGA的嵌入式的圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以很好地解決實(shí)時(shí)的嵌入式圖像采集和存儲(chǔ)問(wèn)題。它主要包括圖像采集模塊、圖像處理模塊以及圖像存儲(chǔ)模塊等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
    本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集原始圖像，并將原始圖像數(shù)據(jù)送給FPGA，采用了可編程視頻輸入處理器SAA7113H。原始圖像數(shù)據(jù)送到FPGA后，F(xiàn)PGA將原始圖像數(shù)據(jù)暫存于兩個(gè)SRAM中，系統(tǒng)采用了Alter公司的EPlK30TCl44—3和ICSI公司的IS6LV25616AL。一幀圖像采集完成后，ARM將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA取出，進(jìn)行必要的處理，并形成圖片文件存到CF卡中，本系統(tǒng)選用了Philips公司的LPC2214。

    圖像采集芯片將原始圖像數(shù)據(jù)傳到FPGA，F(xiàn)PGA將圖像原始數(shù)據(jù)暫存于SRAMl中，當(dāng)一幀圖像存儲(chǔ)完后，下一幀圖像數(shù)據(jù)存于SRAM2中。同時(shí)，將SRAMl中的數(shù)據(jù)送給ARM，ARM在對(duì)原始圖像進(jìn)行必要的處理后，將圖像數(shù)據(jù)以圖片文件的方式存儲(chǔ)在CF卡中。這樣就實(shí)現(xiàn)了嵌入式高速圖像采集和存儲(chǔ)功能，用戶(hù)可以很方便地將CF卡上的圖片上傳到PC機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 圖像采集模塊
    用可編程視頻輸入處理器SAA7113H進(jìn)行視頻信號(hào)處理。SAA7113H內(nèi)部集成了強(qiáng)大圖像色度、亮度處理功能以及多種輸出模式；有32個(gè)工作寄存器，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，必須通過(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行初始化。本系統(tǒng)使用灰度圖像，沒(méi)有使用色度信號(hào)，所以數(shù)據(jù)線為8位。SAA7113H與FPGA的接口，如圖2所示。[!--empirenews.page--]
2．2 FPGA模塊
    FPGA主要作用是把圖像采集芯片傳過(guò)來(lái)的圖像原始數(shù)據(jù)，采取乒乓操作的方式，暫存于兩片SRAM中。當(dāng)FPGA開(kāi)始接收第一幀圖像時(shí)，把該幀圖像根據(jù)FPGA內(nèi)部生成的地址存儲(chǔ)在SRAMl中，一幀圖像接收完畢后，向ARM傳送。同時(shí)，把下一幀圖像暫存于SRAM2中，然后傳給ARM，依次循環(huán)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)圖像的高速采集。本系統(tǒng)選用了Alter公司的EPlK30TCl44—3，它采用EECMOS技術(shù)，144引腳TQFP封裝，容量為10萬(wàn)門(mén)，具有高密度、低成本、低功耗的特點(diǎn)。FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊、SAA7113H控制模塊、SRAM控制模塊、ARM數(shù)據(jù)交換模塊等。SAA7113H控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)視頻采集芯片SAA7113H的初始化和啟停等功能控制；SRAM控制模塊則主要進(jìn)行讀寫(xiě)地址生成、“乒乓”讀寫(xiě)控制等；ARM數(shù)據(jù)交換模塊負(fù)責(zé)向ARM申請(qǐng)中斷和數(shù)據(jù)傳輸。這些模塊在設(shè)計(jì)中利用VHDL語(yǔ)言，在Quartus II環(huán)境下進(jìn)行編程和調(diào)試，具體實(shí)現(xiàn)方法參見(jiàn)文獻(xiàn)。本系統(tǒng)中，主要針對(duì)640×480的灰度圖像的采集和存儲(chǔ)，所以選用了ISSI公司的IS6lIN25616AL，它是一種高速度、低功耗的256 kB×16的CMOS靜態(tài)隨即存儲(chǔ)器，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)際要求。SRAM控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

2．3 ARM模塊
    ARM模塊的主要作用是，從SRAM中取出圖像原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行必要的處理，再存儲(chǔ)在大容量的CF卡上，方便用戶(hù)在PC機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理操作。FPGA接收完一幀圖像后，向ARM發(fā)出中斷請(qǐng)求，ARM收到請(qǐng)求后，通過(guò)FP—GA將SRAM中的數(shù)據(jù)讀入。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，F(xiàn)PGA發(fā)出發(fā)送完畢信號(hào)，ARM對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的CF卡上。本系統(tǒng)選用了Philips公司的LPC2214，它是基于ARM7TDSI體系的嵌入式微處理器，內(nèi)部具有16 kB的靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和256 kB的Flash程序存儲(chǔ)器，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 MHz的工作頻率。ARM與FPGA及CF卡的接口電路分別，如圖4，圖5所示。

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3 系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)
3．1 FPGA圖像采集及暫存的實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先通過(guò)I2C總線對(duì)視頻采集模塊(SAA7113H)進(jìn)行初始化，以確定其工作模式。初始化結(jié)束后，等待圖像采集命令。當(dāng)接收到FPGA發(fā)出的圖像采集命令時(shí)，視頻采集模塊開(kāi)始工作，F(xiàn)PGA依靠像素時(shí)鐘和行場(chǎng)同步信號(hào)采集灰度圖像。由于SAA7113H輸出的灰度圖像是8位的，而外部的SRAM是16位的，因此在FPGA中必須對(duì)采集到的灰度圖像進(jìn)行處理，將兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組合，一起輸出到外部SRAM中。一幀圖像采集結(jié)束后，SAA7113H停止圖像采集，等待下一次的采集命令。
3．2 FPGA與ARM的數(shù)據(jù)交換
    為了實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，應(yīng)使圖像數(shù)據(jù)的采集與外部圖像數(shù)據(jù)的讀取同時(shí)進(jìn)行。因此本系統(tǒng)采用雙SRAM緩存結(jié)構(gòu)。這樣，在同一時(shí)刻，一片可用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，另一片可用于外部ARM對(duì)圖像數(shù)據(jù)的讀取。兩塊SRAM存儲(chǔ)區(qū)乒乓式切換。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)滿(mǎn)SRAMl時(shí)，F(xiàn)PGA向ARM發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，然后，AlRM響應(yīng)中斷并讀取SRAMl中的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將其寫(xiě)入到CF卡中，圖像數(shù)據(jù)將寫(xiě)入SRAM2，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)滿(mǎn)SRAM2時(shí)，F(xiàn)PGA也向ARM發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。ARM響應(yīng)中斷并讀取SRAM2中的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將其寫(xiě)入到CF卡中。之后，圖像傳感器的數(shù)據(jù)將再次寫(xiě)入SRAMl。
3．3 圖像數(shù)據(jù)在CF卡上的存儲(chǔ)
    CF卡內(nèi)部控制器設(shè)計(jì)完全模擬硬盤(pán)，使用標(biāo)準(zhǔn)的ATA／IDE接口界面，可通過(guò)IDE接口與電腦連接，而且早已實(shí)現(xiàn)無(wú)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，使用非常方便。在本系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)ARM存入CF卡，因此必須實(shí)現(xiàn)ARM對(duì)CF卡的配置、讀寫(xiě)控制等操作。ARM對(duì)CF卡驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)由硬件接口函數(shù)和用戶(hù)使用函數(shù)組成，硬件接口函數(shù)是與系統(tǒng)硬件相關(guān)的函數(shù)集。主要包括硬件復(fù)位函數(shù)、ATA寄存器操作函數(shù)和ATA設(shè)備探測(cè)函數(shù)；用戶(hù)使用函數(shù)包括ATA設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)、查找ATA接口設(shè)備函數(shù)、讀扇區(qū)函數(shù)、寫(xiě)扇區(qū)函數(shù)、獲取設(shè)備信息、使設(shè)備立即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)和使設(shè)備立即進(jìn)入空閑狀態(tài)。由于篇幅所限，這里不再一一介紹，讀者可以根據(jù)CF卡的具體參數(shù)編寫(xiě)相應(yīng)的函數(shù)。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中介紹了用ARM和FPGA實(shí)現(xiàn)的一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的工作溫度為O~60℃，可以實(shí)現(xiàn)每秒20~30幀的視頻流灰度圖像采集和存儲(chǔ)，能夠滿(mǎn)足嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)的應(yīng)用要求，系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間取決于CF卡的存儲(chǔ)容量。在本系統(tǒng)中，圖像的采集存儲(chǔ)脫離了PC機(jī)，使圖像的采集存儲(chǔ)真正達(dá)到了實(shí)時(shí)性和嵌入式的要求。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在軍事射擊評(píng)價(jià)、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、醫(yī)療和生物等領(lǐng)域。