內(nèi)嵌ARM核的EPXA10在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用用
1.3 先進的存儲支持
EPXA10嵌入式處理器部分集成了256KB單口SRAM和128KB雙口SRAM;同時集成了兩個先進的存儲支持:(1)SDRAM控制器,用于控制單倍速/雙倍速不同控制進序來確定的,實現(xiàn)起來非常復雜。有了SDRAM控制器的支持,只需要在Altera公司提供的EDA開發(fā)軟件Quartus II中設(shè)置好SDRAM工作所需的各種參數(shù),就可以按照直接給出指令、地址和數(shù)據(jù)的方式對SDRAM進行操作,控制器會自動將各種指令轉(zhuǎn)化成SDRAM所需的工作時序,大大降低了對SDRAM的控制難度。(2)從FPGA啟動。這種啟動方式需要將設(shè)計下載到片外E2PROM中,而且設(shè)計中可包含FPGA部分的應(yīng)用。啟動時FPGA為主動,ARM處復位狀態(tài),配置完成后,如果有對ARM的應(yīng)用,則ARM解除復位,執(zhí)行軟件代碼;反之,ARM一直處于復位狀態(tài)。
圖3
EPXA10嵌入式處理器部分提供了兩條32位AMBA微控制器總線AHB1、AHB2,分別用于片內(nèi)各種資源的通訊,如圖1所示。基于AHB1、AHB2總線,EPXA10的工作方式大致可分為三種:(1)ARM作為AHB1總線的主控,直接訪問HAB1總線的從屬資源。包括SDRAM控制器、片上SRAM、中斷控制器等。(2)ARM作為AHB1總線的主控,通過AHB1-2橋訪問AHB2總線上的從屬資源,包括UART、EBI、SRAM、STripe-To-PLD橋等,同時通過Stripe-To-PLD橋?qū)PGA進行訪問和控制。(3)FPGA通過AHB2的總線主控PLD-To-Stripe橋訪問AHB2總線上的從屬資源,包括SRAM、SDRAM控制器,UART等。
EPXA10片內(nèi)集成了軟件可編程鎖相環(huán)路(PLL),為微控制器總線及SDRAM控制器提供了靈活精確的時鐘基準。
3 EPXA10在圖像驅(qū)動和處理方面的應(yīng)用
本文所述的圖像驅(qū)動和處理系統(tǒng)主要利用PPGA邏輯控制實現(xiàn)簡單、對大量數(shù)據(jù)做簡單處理速度快以及ARM軟件編程靈活的特點,系統(tǒng)框圖如圖2所示。在芯片F(xiàn)PGA部分,構(gòu)造了CMOS驅(qū)動模塊,驅(qū)動CMOS圖像傳感器使之能夠采集圖像數(shù)據(jù)。然后圖像數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)接收模塊存入片外SDRAM中,并經(jīng)串口傳入PC機,要將圖像數(shù)據(jù)在PC機中顯示成圖像,還需編寫基于CDib類的圖像顯示程序;同時將圖像數(shù)據(jù)經(jīng)芯片ARM部分的圖像處理算法(本系統(tǒng)采用Sobel算子)處理,處理后的圖像數(shù)據(jù)才能經(jīng)串口傳給PC機進行顯示。為了驗證基于ARM的圖像處理算法實現(xiàn)的正確性,還將這一算法在PC機中進行了實現(xiàn),最后針對同一幅圖像,將兩種實現(xiàn)的結(jié)果進行了比較。
3.1.1 CMOS圖像傳感器的驅(qū)動
要使CMOS圖像傳感器的成像,必須設(shè)計正確的驅(qū)動時序,包括行同步、列同步、場同步及曝光時間設(shè)定等時序。利用FPGA邏輯編程簡單的特點,用硬件描述語言Verilog HDL編程,可在FPGA中實現(xiàn)CMOS圖像傳感器的驅(qū)動時序,該驅(qū)動時序的仿真結(jié)果如圖3所示。圖中,ld_y為行選通信號;ld_x為列選通信號;cal為場選通信號;clk_adc為內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器所需的時鐘;addr為行列地址線;sys_reset為曝光時間設(shè)定信號;s和r為內(nèi)部放大器選通信號。
3.1.2 圖像的采集
CMOS圖像傳感器輸出的信號為數(shù)字信號(即數(shù)字圖像數(shù)據(jù)),所以圖像的采集要通過FPGA中的數(shù)據(jù)接收模塊將圖像數(shù)據(jù)保存到片外SDRAM中。數(shù)據(jù)接收模塊狀態(tài)機如圖4所示。標志Flag為1,開始采集數(shù)據(jù)。因為CMOS圖像傳感器在每個A/D轉(zhuǎn)換時鐘周期輸出一個數(shù)據(jù)(如圖3所示),接收模塊也相應(yīng)地設(shè)計成一個時鐘接收周期接收一個數(shù)據(jù)(Burst狀態(tài)),這樣就發(fā)揮了FPGA對大量數(shù)據(jù)處理速度快的優(yōu)勢。
3.1.3 圖像的顯示
ARM將SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)經(jīng)串口傳給計算機,在計算機中用VC++語言編寫串口協(xié)議和圖像顯示程序,將CMOS圖像傳感器采集到圖像顯示在屏幕上,以便于監(jiān)測驗證。
3.2 圖像的處理
本系統(tǒng)采用的圖像處理算法基于Sobel邊緣檢測算子。圖像的邊緣是由灰度不連續(xù)性所反映的,是的最基本信息。邊緣檢測算子檢查每個像素的的領(lǐng)域并對灰度變化率進行量化,也包括方向的確定,大多數(shù)使用基于方向?qū)?shù)掩模求卷積的方法。就sobel算子而言,如圖55所示,采用了兩個3×3卷積核形成邊緣算子模板,緊鄰中心像素的像素有4個,和中心像素成斜對角的像素也有4個,距離中心素近的模板值的系數(shù)為2,成斜對角的比較遠,所以其系數(shù)為1,該系數(shù)反映了這樣一點:領(lǐng)域?qū)Ξ斍跋袼氐幕叶忍荻鹊挠绊懗潭仍浇绊懺酱?,越遠影響越小。圖像中的每個點都用這兩個核做卷積,一個核對垂直邊緣響應(yīng)最大,而另一個核對水平邊緣響應(yīng)最大,兩個卷積的最大值作為該點的輸出位,反映了當前位置灰度梯度(圖像邊緣)的主要方向和大小。運算結(jié)果反饋了一幅邊緣幅度圖像。
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