基于SoPC的自感知運(yùn)動(dòng)圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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近年來，嵌入式圖像采集技術(shù)得到快速發(fā)展，但由于嵌入式系統(tǒng)的處理、傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的資源有限，常成為系統(tǒng)采集速度的瓶頸，很難實(shí)現(xiàn)高速穩(wěn)定的采集。
SoPC是近幾年興起的一種用于嵌入式開發(fā)的片上系統(tǒng)可編程技術(shù)，SoPC基于FPGA芯片，將處理器、存儲(chǔ)器、I／O口等模塊集成在一起，完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能，具有設(shè)計(jì)靈活、可剪裁、可擴(kuò)充、可升級(jí)及軟、硬件在系統(tǒng)可編程的功能。由于SoPC平臺(tái)可以擁有微處理器系統(tǒng)豐富的軟件資源和出色的人機(jī)交互能力，同時(shí)又具備FPGA系統(tǒng)的快速硬件邏輯特性，實(shí)現(xiàn)了軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的互補(bǔ)，因此發(fā)展前景非常廣闊，被認(rèn)為是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的方向。
在此試圖設(shè)計(jì)一種基于SoPC的自感知圖像采集系統(tǒng)，使其能夠應(yīng)用于低成本、低功耗的微型嵌入式圖像監(jiān)控和采集系統(tǒng)，以期在更多適合的應(yīng)用場(chǎng)合替代傳統(tǒng)基于PC的圖像監(jiān)控方案。在已見文獻(xiàn)報(bào)道中，基于SoPC的圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)大多只是把采集的數(shù)據(jù)緩沖在SDRAM或SRAM中，有些文獻(xiàn)則進(jìn)一步提出將緩沖后數(shù)據(jù)直接通過并口傳輸給主控芯片，有的方案則是由USB接口或以太網(wǎng)接口輸出主機(jī)，另外有的文獻(xiàn)則提出直接將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到CF卡或硬盤中，而在SoPC系統(tǒng)直接實(shí)現(xiàn)SD卡的圖像采集數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)在國(guó)內(nèi)還未見報(bào)道。
另外還提出了一種新的適合在FPGA硬件實(shí)現(xiàn)的快速運(yùn)動(dòng)檢測(cè)算法，并和圖像采集、SD卡圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)接口電路集成在同一FPGA芯片內(nèi)部。在此這一圖像采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作原理以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)等加以介紹。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理
該系統(tǒng)選用的。FPGA芯片是Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C35。該芯片具有35 000個(gè)邏輯單元、672個(gè)引腳、475個(gè)用戶自定義I／O接口、35個(gè)嵌入式乘法器和4個(gè)鎖相環(huán)。FPGA芯片外接美光公司型號(hào)為MT9M011的130萬像素的CIS(CMOS圖像傳感器，分辨率為640×480時(shí)60幀／s)、Hynix公司的型號(hào)為HY57V641620HG的SDRAM(4 Banks×1 M×16 b)，以及用來圖像顯示驗(yàn)證的液晶屏等。
系統(tǒng)工作過程如圖1所示。CIS經(jīng)過I2C配置模塊的初始化后，輸出行場(chǎng)同步信號(hào)、像素時(shí)鐘和圖像數(shù)據(jù)。再將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成RGB信號(hào)，幀緩沖模塊(Frame Buffer)每次將相鄰兩幀圖像數(shù)據(jù)寫入SDRAM，然后比較這兩幀圖像的差值，如果差值大于設(shè)定的閾值，就認(rèn)為檢測(cè)到了外界場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將捕獲的圖像輸出到SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)。
2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
2．1 采集模塊
2．1．1 CIS配置模塊
目前嵌入式采集系統(tǒng)大多仍采用模擬攝像頭，再經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換得到數(shù)字圖像信號(hào)。而相比較而言，CMOS圖像傳感器能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)，而且其以體積小、功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì)更適合應(yīng)用在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，在該設(shè)計(jì)中采用130萬像素的CMOS圖像傳感器，其輸出圖像品質(zhì)已相當(dāng)接近CCD感應(yīng)器。MT9M011芯片內(nèi)部自帶時(shí)序發(fā)生器和ADC，使用時(shí)只需輸入一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)(該設(shè)計(jì)采用25 MHz的時(shí)鐘信號(hào))，圖像數(shù)據(jù)便按行有效信號(hào)(LINE VALID)、場(chǎng)有效信號(hào)(FRAME VAL-ID)和像素時(shí)鐘(Pixel clock)時(shí)序關(guān)系一同發(fā)出。
MT9M011上集成了I2C接口，其初始化由內(nèi)部的I2C總線來配置，通過編寫硬件描述語言來模擬I2C總線時(shí)序，從而配置各寄存器，其中，該設(shè)計(jì)需要配置的寄存器如表1所示。該模塊采用計(jì)數(shù)器建立一個(gè)狀態(tài)機(jī)，先寫器件地址，再寫寄存器地址，然后寫數(shù)據(jù)。另外還提供每幀圖像的控制信號(hào)以及圖像的行計(jì)數(shù)器和列計(jì)數(shù)器，為后續(xù)處理作準(zhǔn)備。
2．1．2 格式轉(zhuǎn)換模塊
MT9M011所輸出的圖像格式為Bayer格式，奇行由綠、紅像素交替構(gòu)成，偶行由藍(lán)、綠像素交替構(gòu)成。要想在顯示屏上顯示，必須將Bayer格式通過CFA插值濾波為RGB圖像數(shù)據(jù)。該模塊采用雙線性插值算法(BiIinear Interpolation)，與高階B-spline和Cubic-spline等插補(bǔ)函數(shù)算法相比，圖像的像質(zhì)相差不大。但Bilincar的算法要簡(jiǎn)單得多，不僅消耗的硬件資源相對(duì)要少，而且易于硬件實(shí)現(xiàn)。其算法原理是每個(gè)像素位置上缺少的彩色分量由3×3鄰域內(nèi)具有相同顏色分量的像素平均值獲得。
設(shè)計(jì)中調(diào)用移位寄存器IP核，將間隔為640的3個(gè)數(shù)作為輸出，這樣同時(shí)取到三行同一列的三個(gè)數(shù)據(jù)，將這三個(gè)數(shù)據(jù)存入寄存器分別作兩次緩存延遲，從而得到3×3的鄰域數(shù)據(jù)，根據(jù)配置模塊提供的行列計(jì)數(shù)的最低位來判斷該鄰域中間點(diǎn)所在行和列的奇偶性，從而計(jì)算出不同的RGB值。至此，每點(diǎn)圖像數(shù)據(jù)量變?yōu)樵瓉淼?倍。為了便于在液晶屏進(jìn)行圖像顯示的驗(yàn)證和SDRAM的緩存，在該模塊將RGB數(shù)據(jù)進(jìn)行了抽樣處理，采用隔點(diǎn)隔行采樣使得每幀圖像分辨率降為320×240像素。
2．2 緩存模塊
考慮到系統(tǒng)需要緩存的數(shù)據(jù)量較大，在各種隨機(jī)存儲(chǔ)器件中，SDRAM器件價(jià)格低、容量大、速度也較快，非常適合用于圖像采集系統(tǒng)。但SDRAM的控制邏輯比較復(fù)雜，要求有一個(gè)專門的控制器。 緩存模塊是由Sdram控制器，三個(gè)FIFO以及分時(shí)切換電路組成。SDRAM控制器負(fù)責(zé)外部SDRAM的讀／寫操作。三個(gè)FIFO中Write_FIFO用來數(shù)據(jù)輸入，Read_FIFO11和Read FIFO2用來數(shù)據(jù)輸出，容量均為512，位寬設(shè)為16 b?？紤]到SDRAM只有16 b的位寬，輸入的RGB信號(hào)分別只取各自的最高5位。
2．2．1 SDRAM控制器
SDRAM控制器是由命令生成狀態(tài)機(jī)和數(shù)據(jù)通道兩個(gè)模塊構(gòu)成。系統(tǒng)的初始化、讀寫和刷新的控制采用有限狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移系統(tǒng)復(fù)位后由復(fù)位狀態(tài)(Reset)進(jìn)入初始化(Init)狀態(tài)。初始化包含初始化延時(shí)、初始化預(yù)充電、初始化刷新和初始化模式寄存器設(shè)置4個(gè)子狀態(tài)。初始化時(shí)將模式寄存器設(shè)置為長(zhǎng)度為“1”的突發(fā)讀寫方式。設(shè)置完模式寄存器后，系統(tǒng)進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)3個(gè)FIFO半滿信號(hào)有效后。SDRAM控制器進(jìn)入行激活狀態(tài)，經(jīng)過兩個(gè)周期空操作(ActiveNOP)狀態(tài)后進(jìn)入讀或者寫狀態(tài)。
讀數(shù)據(jù)過程由Read CAS狀態(tài)開始，經(jīng)過CAS延時(shí)，進(jìn)入Read_Data狀態(tài)。突發(fā)計(jì)數(shù)器從Read_CAS態(tài)開始計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)到讀寫請(qǐng)求的突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Read_Precharge狀態(tài)將打開的行關(guān)閉。在圖像采集中，用突發(fā)方式存完一行后，下一次存取的將是不同的行。根據(jù)這一特點(diǎn)，在SDRAM控制器中進(jìn)行了優(yōu)化，在讀寫操作完成后執(zhí)行自動(dòng)預(yù)充電，將打開的行關(guān)閉，將預(yù)充電的時(shí)間隱藏在數(shù)據(jù)訪問中，從而提高了SDRAM訪問的速度。寫操作過程由Write_Data和Write_Precharge狀態(tài)組成。當(dāng)激活一行完成后，進(jìn)入到Write_Data狀態(tài)，突發(fā)計(jì)數(shù)器對(duì)周期計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)到突發(fā)長(zhǎng)度時(shí)，狀態(tài)機(jī)進(jìn)入Write_Precharge狀態(tài)將打開的行關(guān)閉。需要注意的是Read_Precharge和Write_Precharge后都需要兩個(gè)空操作才能再打開新的一行。
由于圖像數(shù)據(jù)流的連續(xù)性，每隔65 μs就有一行數(shù)據(jù)輸入，因此在SDRAM控制器中沒有必要再設(shè)置刷新計(jì)數(shù)器，而是在響應(yīng)圖像采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求后將采集的一行數(shù)據(jù)存入SDRAM后對(duì)SDRAM進(jìn)行刷新。由于HY57V641620HG要求在65 ms內(nèi)完成4 096次刷新，該設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)按照每幀圖像(320×240)×(60幀／s)格式采集，需要在采集一行后完成[1／(60×240)／64]×4 096△4．4次刷新，因此需執(zhí)行5次刷新操作。在Write_Precharge完成后，如果寫操作是由FIFO半滿信號(hào)有效引起的，狀態(tài)機(jī)將進(jìn)入自動(dòng)刷新狀態(tài)，完成5次刷新操作后回到Idle狀態(tài)。如圖3所示，數(shù)據(jù)通路模塊受OE信號(hào)的控制，使數(shù)據(jù)的進(jìn)出和相應(yīng)的操作指令在時(shí)序上同步。OE為1時(shí)，數(shù)據(jù)可由DQ腳寫入SDRAM，OE為0時(shí)，數(shù)據(jù)可從SDRAM的DQ讀出。
評(píng)論