采用FPGA集成DSP功能，提高成像應(yīng)用的性能

Intevac是商用和軍用市場光學(xué)產(chǎn)品的前沿開發(fā)商。本文介紹該公司NightVista嵌入式電子系統(tǒng)的開發(fā)，該產(chǎn)品是高性能超低亮度緊湊型攝像機(jī)。該攝像機(jī)最初采用了流行的數(shù)字信號處理器、幾個ASSP和外部存儲器件。系統(tǒng)對性能的需求越來越高，工程師團(tuán)隊決定試驗一種替代方案——在可編程邏輯中實現(xiàn)可配置軟核處理器。這一決定帶來了以下好處：

  達(dá)到了目標(biāo)所要求的性能
  在單個FPGA中集成了分立的元件和數(shù)字信號處理(DSP)功能
  功耗降低了近80%
  將五塊元件板縮減到一塊，顯著降低了成本
  縮短了開發(fā)時間

圖1  Intevac NightVista攝像機(jī)中Cyclone系列FPGA功能框圖

DSP基于處理器的實現(xiàn)方法

NightVista電子系統(tǒng)的部分功能包括：
  攝像機(jī)上電測試和初始化
  視頻傳感校準(zhǔn)和表征
  圖像增強管理的自動增益控制
  圖形、文本和水印屏顯示功能
  實時自適應(yīng)對比度調(diào)整
  Gamma校正、視頻停幀捕獲，并存儲至閃存
  實時時鐘
  用戶定義的可編程預(yù)置配置
  通過RS-232與主機(jī)PC進(jìn)行通信
  攝像機(jī)功能和參數(shù)遠(yuǎn)程更新，攝像機(jī)至主機(jī)PC視頻數(shù)據(jù)傳送

Intevac開發(fā)NightVista電子產(chǎn)品的最初方法是采用數(shù)字信號處理器。除了處理器之外，還需要其他幾個主要部件，包括NTSC視頻編碼器、一個RS-232接口、多個鎖相環(huán)(PLL)、實現(xiàn)各種邏輯功能的CPLD，以及幾個存儲器(FIFO、SDRAM和閃存)。此外，這些部件需要四個不同的工作電壓(需要四個電源穩(wěn)壓器和不同的PCB板層)，四個獨立的時鐘系統(tǒng)，以及各自的振蕩器和電源去耦電路?？傮w上，這些部件占用了五塊PCB，每一塊電路板大約兩平方英寸，堆疊在該攝像機(jī)兩英寸見方的外殼中。

硬件開發(fā)了幾個月之后，大家清楚的認(rèn)識到該解決方案難以達(dá)到Intevac為NightVista設(shè)定的性能目標(biāo)，重量和功耗令人難以接受。而且，由于高密度堆疊的PCB功耗很大，帶來了明顯的熱管理問題。Intevac決定中斷基于數(shù)字信號處理器的設(shè)計，轉(zhuǎn)而采用基于FPGA的混合邏輯和軟核微處理器方案。Intevac并沒有使用集成微處理器可編程邏輯的經(jīng)驗，但是一個使用Altera演示板的評估方案很有吸引力，其最新的低成本FPGA能夠?qū)⒁粋€完整的32位RISC處理器和存儲器模塊、PLL以及大量的邏輯資源集成到一起，實現(xiàn)專用視頻信號處理功能。在FPGA中集成PLL可以解決與電路板級多時鐘系統(tǒng)相關(guān)的大量問題。

工程師團(tuán)隊考慮了多種因素，包括：
  多種FPGA系列的性能和特性
  提供知識產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核
  多個供應(yīng)商的器件集成技術(shù)和業(yè)務(wù)能力
  提供成熟的硬件和軟件開發(fā)工具
  供應(yīng)商支持資源的可靠性

分析了以上因素后，公司決定購買在Altera Cyclone FPGA中實現(xiàn)Altera Nios處理器的解決方案。FPGA的功能如圖1所示。

設(shè)計轉(zhuǎn)換

決定使用Altera的解決方案后，Intevac必須確定現(xiàn)有的DSP軟件在多大程度上能夠?qū)氲絅ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個月的人工付出進(jìn)行前面的數(shù)字信號處理器軟件開發(fā)，團(tuán)隊現(xiàn)在面臨的問題是將圖像數(shù)據(jù)通過處理器傳送至輸出，并沒有進(jìn)行視頻處理。FPGA攝像機(jī)中的Nios處理器具有不同的特性，只能通過RS-232串行通信協(xié)議與主機(jī)PC和視頻傳感器進(jìn)行通信。幸運的是，Nios處理器的軟件開發(fā)直觀明了，通過使用Nios開發(fā)板，Intevac在幾個小時之內(nèi)便建立了處理器和主機(jī)PC之間的通信。

新的FPGA電路板在一個月內(nèi)完成，在這段時期內(nèi)，Intevac繼續(xù)采用Nios處理器開發(fā)板編寫、調(diào)試軟件代碼。Intevac最初計劃采用數(shù)字信號處理器的實時操作系統(tǒng)(RTOS)來管理復(fù)雜的視頻處理算法時序。由于Nios處理器并不包括現(xiàn)成的RTOS，軟件小組并不能確定是否能夠達(dá)到所有的時序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發(fā)現(xiàn)Nios處理器的配置功能可以很好的控制信號時序，一般只需要對FPGA設(shè)計稍做改動便能夠達(dá)到目標(biāo)時序要求。同一FPGA環(huán)境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡單的實現(xiàn)最佳控制和視頻處理任務(wù)。

FPGA方案實現(xiàn)了定制化，提升了性能

進(jìn)一步的深入研究后，Intevac開始開發(fā)定制功能和外設(shè)，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開發(fā)一個處理器來提高性能，一般在一個小時內(nèi)就可以做到這一點。硬件小組設(shè)計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的FIFO模塊，以及專用DMA控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流，避免了使用外部編碼器和FIFO緩沖。此外，構(gòu)建了一個定制SDRAM控制器，使所有的視頻、屬性、Nios處理器命令讀取和數(shù)據(jù)存儲都可以使用同一存儲器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時鐘，因此，采用了FPGA的板上PLL，從一個主時鐘中產(chǎn)生三個不同的時鐘：第一個用于視頻編碼器，第二個用于SDRAM時序，第三個用于外部象素傳感器。

通過集成提高了性能

在實現(xiàn)了以前所用外部器件的功能以后，Intevac還增加了最初DSP處理器無法實現(xiàn)的功能。加入了視頻測試模式生成器來仿真攝像機(jī)的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。加入的另一功能是統(tǒng)計生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性，以便進(jìn)行圖像增強和亮度處理。圖像統(tǒng)計生成器需要的數(shù)學(xué)運算如果在軟件中實現(xiàn)，那么速度很慢。Intevac使用了FPGA中的邏輯資源來實現(xiàn)該功能，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器。

電路板制好后，在幾個小時內(nèi)便完成了開發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)置，并在新板上運行。后面的幾個月中，Intevac在進(jìn)行硬件和軟件開發(fā)的同時，進(jìn)一步調(diào)試、優(yōu)化了設(shè)計。雖然對處理器和FPGA設(shè)計的其他部分進(jìn)行了多次修改，但是，并沒有影響電路板布板。最后，使用Cyclone器件和Nios軟核處理器，將五塊電路板縮減為一塊。這種集成方式減輕了攝像機(jī)重量，所需支持電壓由四個減少到兩個，功耗降低了近80％。使用相同的PCB設(shè)置，Intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

采用Altera無鉛產(chǎn)品輕松達(dá)到RoHS

Altera在業(yè)界提供的無鉛產(chǎn)品范圍最廣，1200多個產(chǎn)品具有無鉛封裝。Altera作為環(huán)境無污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商，2002年以來已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬片無鉛產(chǎn)品。Altera的無鉛器件符合EU Directive在有害物質(zhì)使用限制(“RoHS Directive”)No.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(Pb)、汞、鎘、六價鉻、多溴化聯(lián)苯(PBB)以及多溴化聯(lián)二苯(PBDE)等。采用Altera的PLD集成非兼容的ASSP功能，可以輕松完成您的RoHS轉(zhuǎn)換。

結(jié)語

設(shè)計簡化后，Intevac達(dá)到了自己的性能目標(biāo)，極大的降低了元件和生產(chǎn)成本，提高了NightVista的質(zhì)量和可靠性。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)上，該解決方案還增加了更多的功能。Intevac在FPGA中留出了邏輯資源，這樣，現(xiàn)場應(yīng)用時，能夠進(jìn)一步對攝像機(jī)進(jìn)行更新。這一解決方案幫助Intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設(shè)計開發(fā)流程，為今后的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省了大量的時間和資源。■