基于Nios軟核的SoPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

對基于FPGA以及NIOS的圖像采集與處理系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，在完成硬件實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，完成了嵌入式操作系統(tǒng)的移植及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。以PDF417二維條碼的識別為例，對識別過程及識別算法進(jìn)行研究，并對所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行測試，達(dá)到了較好的識別效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，圖像識別技術(shù)已成為人工智能的基礎(chǔ)技術(shù)，它涉及的技術(shù)領(lǐng)域越來越廣泛，應(yīng)用越來越深入。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動(dòng)化方向的發(fā)展，以形狀為特征的圖像識別在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應(yīng)用日益增加，不論是材料、工業(yè)自動(dòng)化、遙感技術(shù)，還是產(chǎn)品質(zhì)檢都需要對形狀進(jìn)行檢測。因此，開發(fā)集圖像信號的采集與處理于一體、具有高集成度、高保密性的圖像處理系統(tǒng)將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。此外，基于32 bit微處理器純嵌入式系統(tǒng)的圖像采集處理技術(shù)正處于方興未艾階段，發(fā)展前景廣闊，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)、監(jiān)護(hù)/防盜系統(tǒng)、機(jī)器人視覺等技術(shù)中。SoPC技術(shù)是Altera公司提出的一種靈活、高效的SoC解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。本系統(tǒng)就是在這種背景下提出的。其主要工作是設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)用的圖像采集和處理平臺，能完成目標(biāo)圖像的采集輸入，并能對采集到的圖像進(jìn)行處理和識別。

1 系統(tǒng)整體方案及硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)要求在FPGA片內(nèi)利用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)便攜式的圖像采集與處理。它通過對原始圖像的掃描，經(jīng)數(shù)字圖像處理與識別后即可將得到的大容量的承載信息(包括文字、頭像、指紋等個(gè)人信息)在LCD上顯示，并可通過USB接口將信息拷貝，或通過RS-232接口將信息上傳給PC機(jī)，也可以通過GPRS將獲得的信息方便快捷地發(fā)往數(shù)據(jù)中心作驗(yàn)證。

整個(gè)系統(tǒng)的核心部分是內(nèi)嵌Nios II軟核的FPGA，外圍設(shè)備和芯片包括圖像獲取設(shè)備、顯示器及片外SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作過程是：系統(tǒng)配置完成后，視頻獲取設(shè)備獲取視頻圖像，每幀圖像經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換生成圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入預(yù)處理模塊，經(jīng)預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM存儲(chǔ)器，由Nios II處理器進(jìn)行圖像的后續(xù)處理和控制。處理后的圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換在監(jiān)視器上實(shí)時(shí)顯示。

1.1 圖像采集接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用美國OmiVision公司的數(shù)字式彩色CMOS圖像傳感器OV7640。該芯片分辨率為640×480像素，成像速度為30幀/s，采取逐行掃描方式，輸出為數(shù)字信號。工作原理如圖2。

圖像采集的程序流程是：首先Nios初始化OV7640的各個(gè)寄存器，主要包括狀態(tài)寄存器（STA）、數(shù)據(jù)和時(shí)鐘控制寄存器(CLKRC)、自動(dòng)增益控制寄存器(AGC)的設(shè)置；然后查詢等待，條碼圖像被OV7640采集進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，通過DMA方式存入SDRAM，Nios再從SDRAM中提取數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼。

1.2 基于Nios的SoPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于Nios軟核的SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心，包括Nios軟核處理器的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集控制的設(shè)計(jì)、圖像信號FFT分析的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)顯示以及RS232通信模塊的設(shè)計(jì)等。另外，使用Nios進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)在硬件上必需使用Altera公司的FPGA。

Nios處理器核的硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制合適的CPU和外設(shè)，然后在SoPC和Quartus II中實(shí)現(xiàn)。在硬件設(shè)計(jì)流程中，可以靈活定制Nios CPU的許多特性甚至指令，可以使用Altera提供的IP Core來加快設(shè)計(jì)者開發(fā)Nios外設(shè)的速度并提高外設(shè)性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog自行定制外設(shè)。

系統(tǒng)Nios外設(shè)主要包括：

(1)CMOS圖像傳感器接口模塊。由于Altera沒有提供CMOS圖像傳感器接口模塊，所以使用VHDL編程自行定制。通過VHDL編程設(shè)計(jì)一個(gè)CMOS圖像傳感器控制模塊，采用接入Avalon總線的方式自定制外設(shè)。

(2)由于要對數(shù)字圖像信號進(jìn)行FFT運(yùn)算，所以采集的數(shù)據(jù)必須先進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再作FFT計(jì)算。因此，必須設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器和FFT實(shí)現(xiàn)的硬件。

(3)RS232通信電路模塊。RS232通信可以通過串行口UART加上一個(gè)轉(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn)。所以，本系統(tǒng)利用SoPC中提供的UART組件來實(shí)現(xiàn)RS232通信接口的設(shè)計(jì)。

(4)LCD液晶顯示模塊。LCD液晶顯示是通過配置Nios的PIO接口來控制的。

除上面所述之外，根據(jù)系統(tǒng)要求，Nios處理器核應(yīng)當(dāng)配置以下組件及接口模塊：cpu、boot_rom（用于系統(tǒng)引導(dǎo)）、uart1(用于系統(tǒng)的仿真調(diào)試)、uart_rs232(用于串口通訊)、Timer1(系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘)、lan_timer(以太網(wǎng)通信用時(shí)鐘)、button_pio(用于參數(shù)設(shè)置)、lcd_pio(用于參數(shù)顯示)、user_logic_ad_nv_ctl和user_logic_ad_power_ctl(自定義的AD轉(zhuǎn)換的接口模塊)、Ethernet(用于以太網(wǎng)通信)、ext_ram(外部SRAM)、dma(用于將采集的數(shù)據(jù)直接存入SRAM中)和ext_flash(外部flash)。

本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是通過設(shè)計(jì)FIFO存儲(chǔ)器電路實(shí)現(xiàn)的。FIFO存儲(chǔ)器電路主要由一個(gè)雙口RAM模塊(Dual-Port RAM)和狀態(tài)機(jī)模塊(State Machine Table)組成，通過先進(jìn)先出(FIFO)堆棧把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在雙口RAM中。其設(shè)計(jì)是在Matlab環(huán)境下利用Altera DSP Builder設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)的。

電路設(shè)計(jì)完成并仿真驗(yàn)證成功后，應(yīng)用DSP Builder中的signal Compiler進(jìn)行編譯分析，經(jīng)signal Compiler轉(zhuǎn)換后可以變成VHDL語言的程序。同時(shí)，在Quartus II中，可以將VHDL語言程序轉(zhuǎn)換成電路符號，便于應(yīng)用原理圖的方法設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)。由FIFO存儲(chǔ)器的VHDL程序生成的電路符號如圖3所示。在設(shè)計(jì)過程中，需要用到Quartus II軟件和其內(nèi)嵌的IP Toolbench。按照本系統(tǒng)的要求設(shè)置FFT的參數(shù)為：點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn)，數(shù)據(jù)寬度為12 bit。最后設(shè)計(jì)生成FFT的MegaCore Function模塊，包含一些VHDL程序及其他相關(guān)的文件。由VHDL程序生成的FFT模塊電路符號如圖4所示。