（信号与信息处理专业论文）嵌入式图像采集显示系统研究.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 本课题将嵌入式系统的概念引入到光纤熔接机的图像采集显示研究中，使图像采 集显示系统能够在嵌入式系统的支持下产生新的研究方法，新的技术路线和新的产 品。课题研究的目的就是开发一种小型化、智能化的嵌入式产品。因为小型化、智能 化是未来嵌入式产品的趋势，既是科学研究的方向，也是市场的要求。因此，将此项 技术应用于图像采集处理中，必然会成为设计者的理想的设计方案。 目前，有两种技术将对未来的图像应用技术有很大的影响。第一种是f p g a ，由 于不断增加的芯片密度和改进的软件工具，使得它在图像处理中的应用越来越广泛。 第二种是嵌入式技术，嵌入式c p u 解决了系统的功耗问题，嵌入式操作系统提供给 开发者一个与计算机兼容的开发环境。而这两种技术的结合，可以将与图像采集处理 显示相关的所有部件全部集成在一个芯片中，给开发者提供了更大的便利条件。本文 采用最新的s o p c ( 片上可编程系统) 技术，将两种技术融合在一起，改变图像采集 显示系统传统的c p u + f p g a 系统架构，将n i o si i 嵌入式软核处理器嵌入到f p g a 中， 在单片f p g a 上实现原有架构的功能，并且由于f p g a 的可编程性使系统配置变得 更加灵活。 对于实时性需求较低的处理，采用n i o si i 处理器来完成，对实时性高的图像数 据流的处理由f p g a 来完成。系统采用n i o si i 用户自定义逻辑实现了摄像头的1 2 c 总线配置，针对系统实时采集显示的需求，采用硬件描述语言实现图像数据采集、处 理、缓存、显示模块的设计。 经过实验测试证明，采用s o p c 技术实现图像采集显示系统具有很高的稳定性， 良好的扩展性。 关键词：图像采集，c m o s 摄像头，f p g a ，液晶屏 北方工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e rb r i n ge m b e d d e ds y s t e mc o n c e p ti n t ot h er e s e a r c ho fi m a g ec o l l e c t i o na n d d i s p l a yf o ro p t i cf i b e rf u s em a c h i n e b yt h es u p p o r to fe m b e d d e ds y s t e mw e c a nd e v e l o p n e wm e t h o d sa n dn e wp r o d u c t s t h ep u r p o s ei st o d e v e l o pas m a l la n di n t e l l i g e n t e m b e d d e dp r o d u c t s m a l la n di n t e l l i g e n ti st h ed i r e c t i o no fe m b e d d e dp r o d u c t i ti sn o t o n l yt h es c i e n c er e s e a r c hd i r e c t i o n ，b u ta l s ot h ed e m a n do fm a r k e t t h e r e f o r ei tm u s tb ea n i d e a ld e s i g np r o j e c tf o rd e s i g n e r s a tp r e s e n tt h e r ea r et w ot e c h n o l o g i e sw i l la f f e c tf u t u r ei m a g ea p p l i c a t i o ng r e a t l y f i r s ti s f p g a t h ei n c r e m e n to fc h i pd e n s i t ya n di m p r o v e m e n to fs o f t w a r em a k e si tu s e dm o r e w i d e l yi ni m a g ep r o c e s s i n g s e c o n di se m b e d d e dt e c h n o l o g y i tr e s o l v ep o w e rc o n s u m e p r o b l e ma n dp r o v i d ead e v e l o pe n v i r o n m e n tt h a ti sc o m p a t i b l ew i t hc o m p u t e r t h e r e f o r e t h ei n t e g r a t i o no ft w ot e c h n o l c i 舀e sw i l li n t e g r a t ea l lc o m p o n e n t si n t oo n ec h i pa n dp r o v i d e m o r ee a s ed e v e l o pm e t h o d t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o p ct e c h n o l o g yt h a ti n t e g r a t e st w o t e c h n o l o g i e st o g e t h e rt oi m p r o v et r a d i t i o n a lc p u + f p g aa r c h i t e c t u r e n i o si i s o f tc o r e p r o c e s s o ri se m b e d d e di n t of p g a t or e a l i z et h ef u n c t i o n so ft r a d i t i o n a la r c h i t e c t u r e t h e p r o g r a m m a b l ec a p a b i l i t yo ff p g a m a k e st h ec o n f i g u r a t i o no fs y s t e mm o r ea g i l i t y f o rn o n r e a lt i m ep r o c e s s i n g ，w ec a nu s en i o s1 1p r o c e s s o rt or e a l i z e f o rr e a lt i m ed a t a f l o w , w ec a nu s ef p g ad i g i t a ll o g i ct or e a l i z e t h es y s t e mu s en i o si iu s e rl o g i cr e a l i z i n g t h ei z cc o n f i g u r a t i o no ft h ec m o sc a m e r a a c c o r d i n gt or e a lt i m ec o l l e c t i o na n dd i s p l a y d e m a n do ft h e s y s t e m ，w e u s eh a r d w a r ed e s c r i p t i o n l a n g u a g er e a l i z i n g m o d u l e so f c o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g ，s t o r e ，d i s p l a yo ft h ei m a g ed a t a t h r o u i g ht h ee x p e r i m e n tt e s t ，w ec a np r o v et h a tt h ei m a g ec o l l e c t i o na n dd i s p l a ys y s t e m r e a l i z e db ys o p ch a v eh i g hs t a b i l i t ya n dw e l le x p a n s i b i l i t y k e yw o r d s ：i m a g ec o l l e c t i o n ，c m o ss e n s o r , f p g a ，l c d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得韭友王些盍堂或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：蚀东簦字日期：冲f 月弘日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解韭友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权j e 友王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：饭呶杰， 签字日期：堋年岁月弦日 导师签名：奔妒钞 签字日期唧年蛔和日 | 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：加畚锯纬锡利翻救术省舭习电话：；“7 ；。力， 通讯地址：目u 李事大巍酉宙瘫锯冲稚艮邮编：，咖，彳 办乍挽鹆 f 北方工业大学硕士学位论文 1 引言 1 1 项目背景 光纤熔接机其功能就是利用精密机械传动系统把两根石英光纤在空间上准直，然 后通过高压高温电弧使石英熔化，把两根光纤对接起来。 目前在国内，光纤熔接机属于很专门的研究方向。研究人员少，且多集中于高校 与研究机构。研究机构一般偏重于实际系统的研究，不注重对深入的理论问题的探讨。 而高校往往又不具备有关研究基础和条件，这些确实是非常矛盾的事情。 光纤熔接技术属于研究的偏门。由于光纤熔接机涉及到光、机、电和图像处理等 方面多领域交叉内容，国内外很少发表有关光纤熔接技术的文献，对于研究者很难查 到有关方面的文献和资料。 本论文是基于f p g a 和嵌入式技术的飞速发展，光纤熔接机在国内、国际都有着 巨大的市场潜力，并且根据以往研究单芯熔接机的技术经验的基础上，对光纤熔接机 图像采集显示部分进行研制。 1 2 图像采集显示系统发展现状及意义 图像采集处理系统是指用设备来捕获客观世界的图像和特征，也就是用设备来实 现对客观世界的识别。视频图像采集处理是视频信号处理系统的前端部分，正在向高 速、高分辨率、高集成化、高可靠性方向发展。图像采集处理系统在当今工业，军事， 医学各个领域都有着极其广泛的应用，如使用在远程监控、安防、远程抄表、可视电 话、工业控制、图像模式识别、医疗器械等各个领域，而且随着图像采集处理技术的 发展，在上述各个领域内的各种应用中，图像采集处理系统中所起到的作用显得越来 越重要，而且越来越多的行业和设备开始使用到图像采集处理系统【邶l 。 当今世界进入数字化信息的时代，各种形式的信息以数字化方式存储于各种媒质 中，而且越来越多的信息开始由传统的模拟存储和处理方式向数字化存储和处理方式 转变。图像信息作为人类最重要的信息源之一，图像采集技术和改善图像质量的图像 处理技术也开始向数字化方向转变。在数字计算机闯世之前，图像处理的共同特点是 把图像信息用传统的模拟方式来处理。从第一台数字计算机问世以来，随着计算机技 术的发展与成熟，数字图像采集处理成为一个迅速发展的学科。 图像采集处理系统大部分均采用实时图像采集技术，实时图像采集在现代多媒体 技术中占有极其重要的地位。日常生活巾所见到的数码相机、可视电话、多媒体口 电话和电话会议等产品，实时图像采集是最核心的技术。图像采集的速度、质量直接 北方工业= k 学硕+ 学位论文 影响到产品的整体效果。众所周知，视频图像数字化后数据量非常庞大，对如此大量 高速的数据进行实时处理是计算机应用领域中技术难度最大的部分。 在进入二十一世纪前，国内的图像采集和处理系统大多随着国外跨国企业的生产 线进入中国。随着中国科技的迅速发展以及工业自动化要求的不断提高，经过数年的 发展，现在国内许多自动化设备制造商正将图像采集和处理技术用于视觉检测、视觉 控制机器人、确定和定位零件等领域的产品设计以提高功能及性能档次，改善产品及 加工质量。 1 3 研究内容 本论文的研究目的：探讨一种新型实用的嵌入式图像采集显示系统的设计方案， 并制作一个可供实验使用的样机。该系统能够实现图像数据的采集、简单的图像处理， 数据的缓存，同时还带有l c d 显示 系统的主要部分有：c m o s 图像传感器、f p g a ，显示屏存储器件等。其中， f p g a 主要完成对各个硬件模块的控制、协调，以及图像格式的转换，处理以及输出； 图像传感器主要负责完成图像数据的采集；显示屏完成对采集图像的显示；存储系统 主要完成对采集图像的缓存。 主要研究内容可分为以下几个部分： 1 研究嵌入式图像采集显示系统的总体解决方案。 系统的总体设计主要包括硬件系统和软件系统的设计。其中，硬件系统的设计主 要包括硬件系统的结构、器件选择以及相互间的接口设计，模块的划分，各个模块间 的相互关系以及各个模块的具体功能的设定等等。软件系统的设计，采用s o p c 技术， 将n i o s l l 处理器嵌入到f p g a 中，编写r c 总线接口初始化及配置程序，实现c m o s 摄像头配置。 2 研究c m o s 图像传感器与f p g a 的控制接口。 通过对c m o s 图像传感器的结构介绍及分析，以及对不同c m o s 图像传感器的 控制接口的分析，总结出控制接口结构的般规律。在此基础上，设计一个具体的嵌 入式图像采集显示系统。c m o s 图像传感器和微控制器系统各自有不同的工作时序。 如何让图像数据的输出和采集保持一致，工作时序的控制成为关键。因此，在这部分 论文主要的研究内容是c m o s 图像传感器和f p g a 的接口技术，包括硬什接口的设 计实现以及图像数据采集的软件接口的设计与实现。 3 研究存储器与f p g a 的控制接口。 通过对各种缓存结构的了解，设计一套与系统功能匹配的帧缓存结构，实现图像 的采集、存储与显示之间的同步。 2 北方工业大学硕士学位论文 4 研究i c d 与f p g a 的控制接口。 研究l c d 的工作时序，设计出l c d 的控制接口，实现显示与采集的同步，并进 一步优化结构提高刷新率。 1 4 论文结构 第一章：引言。主要介绍项目背景、项目研究的现状及其意义、主要研究内容： 第二章：嵌入式图像采集显示系统的总体设计。主要介绍系统的需求分析系统 的总体机构，系统的硬件平台结构，模块设计； 第三章：嵌入式图像采集显示系统的硬件平台。具体介绍系统的硬件平台，包括 系统所采用的硬件及各部分功能。 第四章；嵌入式图像采集显示系统的模块设计。详细介绍f p g a 内部的各个模块 的功能作用及实现方法，是该系统设计的核心部分。 第五章：嵌入式图像采集显示系统的测试。主要介绍硬件测试，模块澳4 试。 第六章；总结与展望。 本章小结 本章主要介绍了图像采集显示系统的应用和发展情况，针对项目的要求和目前的 发展，提出了课题的实现方案和任务。 北方工业大学硕士学位论文 2 嵌入式图像采集显示系统的总体设计 嵌入式图像采集显示系统主要分为硬件和软件两个部分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部 分。目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，体系结构包括m c u 、 m p u 等3 0 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都开始大 规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也己经成了未来嵌入式领域的一大 趋势，其中从单片机、d s p 到1 1 p g a ，品种越来越多，速度越来越快，性能越来越强， 价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从6 4 k b 到2 g b ，处理速度最快 可达到2 0 0 0 m i p s ，封装从几个引脚到几百个不等。系统采用f p g a 作为控制器，采用 硬件描述语言实现各个器件的控制接口，并对各个模块进行协调处理，实现数据的转 换、缓存、传输、显示等功能。 软件方面，采用c 语言。系统采用最新的s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 技 术，将a l t e r a 公司提供的n i o s i i 软核处理器嵌入到f p g a 中。该处理器支持c 语言，使 得对外围器件的控制更加简单。系统中该模块主要用于对c m o s 摄像头进行配置。 2 1 系统的需求分析 根据对光纤熔接机图像采集显示部分的功能要求，需要对系统进行分析，以确定 系统所需要外围的器件，以及实际操作中所要观察的状态信息，使得系统满足要求。 2 1 1 实时显示需求 实时显示功能是图像采集显示系统的核心功能，是专门为光纤熔接机的对准部分 需求设计的，实时的传递光纤接头的位置信息。系统是一个便携式设备，液晶屏为 1 6 位色5 6 5 格式3 2 0 x 2 4 0 点阵，因此每帧图像以3 2 0 2 4 0 分辨率，1 6 位色5 6 5 格 式进行存储和显示，每秒必须达到2 5 帧以上，使得光纤接头的位置信息能够实时的 被观察到。 2 1 2 外部i o 控制需求 在实际目标环境中外部控制信息是指图像采集开关状态的信号输入，和摄像头曝 光时间的配置输入控制按钮，以及外部控制输出各种指示灯和开关控制线等的。使得 系统具备友好的人机操作功能，对复杂的采集显示功能可通过简单操作完成。 2 1 3 状态指示需求 系统需要提供一组指示灯，通过不同灯，以及不同闪烁操作的组合向用户表达必 要的信息，如系统是否在运行，运行于怎样的状态，系统是否出现错误，是怎么样的 4 北方e 业大学硕士学位论文 错误，系统是否需要人员对其进行输入操作，是何时进行怎么样的操作等等。 2 1 4 图像缓存需求 图像缓存部分是系统的关键部分。系统是实时采集显示系统，只需要让用户知道 当前所采集到的信息，所以图像的存储只需要容纳一帧当前图像数据，覆盖前一帧图 像数据即可。缓存的速度需要满足实时采集的速度要求，需要完成采集与显示的同步 工作。 2 2 系统的总体结构 嵌入式图像采集显示系统由f p g a 、嵌入式外围设备组成，黑色箭头表示控制信 号，白色箭头表示数据信号，如下图所示： 图2 1 系统总体结构框图 2 3 系统硬件平台总体设计 2 3 1f p g a c p l d 技术介绍 f p g a c p l d 都是半定制的a s i c ( a p p l i c a t i o ns p c c 蚯ch r c 伊a l e dc i r c u i t ，专用集成 电路1 ，f p g a 是f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y 的缩写，即现场可编程门阵列，c p l d 是c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e 的缩写，即复杂可编程逻辑器件唧。他们都是 用户可编程的逻辑器件，具有较大的容量，都可以利用e d a 软件进行逻辑设计。二 者在逻辑单元类型上也基本一致，都具有查找表型、多路选择器型和乘积相型。二者 之间是有区别的，c p l d 是通过修改既有固定连线的逻辑功能来编程的，而f p g a 是 通过修改一根或多根宏功能单元块内部连线的布线来编程的。f p g a 的特性更接近 a s i c ，通常可以用作a s l c 的模型机i “。 f p g a 采用细颗粒的逻辑单元，连线结构为分段式，逻辑单元密度高，数据通道 丰富，但延迟不可预测；c p l d 采用粗颗粒的逻辑单元，连续式连线结构，连线延迟 可以预测：在应用上，c p l d 适合控制逻辑，译码逻辑，组合逻辑；而f p g a 适合需 要很多寄存器的复杂运算场合，适合时序逻辑设计【l o l 。 采用f p g a c p l d 芯片进行系统开发的优点如下： 1 功能强大随着v l s i 工艺的不断提高，单片逻辑门数越来越多，内嵌功能模 5 北方工业大学硕十学位论文 块也越来越多，所能实现的功能也越来越强。 2 开发周期短采用e d a 设计方法，可以缩短产品的开发周期，快速将产品推向 市场。 3 在线可编程基于s r a m 倒a s h 工艺的f p g a ，用户可以反复的编程、擦除， 使调试升级都十分方便。 f p g a 的主要器件供应商有x i l i n x ，a l t e r a 、l a t t i c e 和a t m e l 。 2 3 2 硬件结构框图 嵌入式图像采集显示系统由f p g a 、嵌入式外围设备组成，图中实线表示控制线， 空心线表示数据线。 2 4 系统模块总体设计 图2 2 硬件结构框图 如图2 2 所示，f p g a 内部模块都是由硬件描述语言所编写，包括c c dc a p t u r e 模块，r a w 2 r g b 模块，s r a mc o n t r o l2 p o r t 模块，l c dc o n t r o l l e r 模块。1 2 cc o n f i g u r e 模块，是由n i o si i 处理器来实现。 2 4 1v e r i l o gh d l 及q u a r t u s l i 简介 v e r i l o gh d l 是硬件描述语言的一种，用于数字电子系统的设计。它是目前应用 最广泛的一种硬件描述语言。设计者可用它进行各种级别的设计，可用它进行数字逻 辑系统的仿真验证、时序分析、逻辑综合【l l j 。 q u a r t u s l i 软件是a l t e r a 公司的综合开发工具，它集成了a l t c r af p g a 开发流程中 的所有工具和第三方软件接口。通过使用此综合开发工具，设计者可以创建、组织和 管理自己的设计。 2 a 2f p g a 的设计流程 一般来说，完整的f p g a 设计流程包括电路设计与输入、功能仿真、综合、综合 北方工业大学硕士学位论文 后仿真、实现、布线后仿真与验证、板级仿真验证与调试等主要步骤【1 1 1 ，如图2 3 所 示。 图2 3 完整的f p g a c p l d 设计流程 1 电路设计与输入 设计输入包括使用硬件描述语言h d l ，状态图与原理图输入三种方式。h d l 设 计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式，除i e e e 标准中v h d l 与v e r i l o g h d l 两种形式外，尚有各自f p g a 厂家推出的专用语言，如q u a l t u s 下的a h d l 。 7 北方工业大学硕士学位论文 h d l 语言描述在状态机、控制逻辑、总线功能方面较强，使其描述的电路能在特定 综合器( 如s y p s y s 公司的f p g a c o m p i l e r1 1 或f p g a e x p r e s s ) 作用下以具体硬件 单元较好地实现；而原理图输入在项层设计、数据通路逻辑、手五最优化电路等方面 具有图形化强、单元节俭、功能明确等特点，另外，在a l t e r a 公司q u a r t o s 软件环境 下，可以使用m e m o r ye d i t o r 对内部m e m o r y 进行直接编辑置入数据。常用方式是以 i - i d l 语言为主，原理图为辅，进行混合设计以发挥二者各自特色。， 通常，f p g a 厂商软件与第三方软件设有接口，可以把第三方设计文件导入进行 处理。如q u a r t u s 与f o u n d a t i o n 都可以把e d i f 网表作为输入网表而直接进行布局布 线，布局布线后，可再将生成的相应文件交给第三方进行后续处理。 2 ，功能仿真 设计的电路必须在布局布线前验证电路功能是否有效。( 在a s i c 设计中，这一 步骤成为第一次s i g n - o f f ) p l d 设计中，有时跳过这一步。 3 综合优化 设计输入之后就有一个从高层次系统行为设计向门级逻辑电路的转化翻译过程， 即把设计输入的某种或某几种数据格式( 网表) 转化为软件可识别的某种数据格式( 网 表) 。对于综合生成的网表，根据布尔方程功能等效的原则，用更小更快的综合结果 代替一些复杂的单元，并与指定的库映射生成新的网表，这是减小电路规模的一条必 由之路。 4 布局布线。在p l d 设计中，3 4 步可以用p l d 厂家提供的开发软件( 如o u a r t u s i i ) 自动一次完成。 5 布局布线后仿真 需要利用在布局布线中获得的精确参数再次验证电路的肘亭。( 在a s c i 设计中， 这一步骤称为第二次s i g n o f f ) 。 6 加载配置在线调试 将系统生成的配置文件加载到f p o a 中，进行在线调试，观察测试所实现的功能 是否与所要求的功能相同。 本章小结 本章对系统进行了需求分析，根据系统的需求确定了系统的整体构架。介绍了 f p g a 的设计流程。 8 北方工业大学硕士学位论文 3 嵌入式图像采集显示系统的硬件平台 嵌入式硬件平台包括中央处理器、外围的控制电路、只读存储器、可读写存储器 和外围设备。在选择上述硬件芯片时要考虑它们的功能、功耗、体积、成本、可靠性、 电磁兼容性等方面，从众多的芯片中选择最适合项目应用的芯片。在选择芯片时没有 最好的芯片，只有最适合项目的芯片，这也是为什么嵌入式系统芯片分类简单，但是 硬件平台却五花八门的原因。由于嵌入式产品生产量和需求量都很大，嵌入式芯片成 为各个半导体厂商之间竞争的热点。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件必须高效 率地设计，这样才能使产品更具有竞争力。 3 1a i t e r a sc y c l o n ei if p g a c y c l o n e1 1 器件架构为晟低的成本而优化，提供多达6 8 ，4 1 6 个逻辑单元0 l e ) ，密 度超过第一代c y c l o n ef p g a 的3 倍。c y c l o n e1 if p g a 内部的逻辑资源可以用来实现 复杂的应用。 c y c l o n el ib p g a 在3 0 0 毫米晶圆的基础上，采用了t s m c 领先的9 0 r a n 低电介 工艺技术而生产。 c y c l o n ei if p g a 基于流行的m 4 k 存储器块，提供多达1 1 兆比特的嵌入式存储 器，可以支持配置为广泛的操作模式，包括r a m 、r o m 、先入先出( f i f o ) 缓冲器以 及单端口和双端口模式。 c y c l o n e i i f p g a 提供最多1 5 0 个1 8 x 1 8 比特乘法器，是低成本数字信号处理( d s p l 应用的理想方案。这些乘法器可用于实现通用d s p 功能，如有限冲击响应( t a r ) 滤波 器、快速傅立叶变换、相关器、编解码器以及数控振荡器( n c o ) 。 c y c l o n ei i 器件提供高级外部存储器接口支持，允许开发人员集成外部单倍数据 速率( s d r ) 、双倍数据速率( d d r ) 、d d r 2s d r a m 器件以及第二代四倍数据速率 ( q o r i i ) s r a m 器件，数据速率最高可达6 6 8 m b p s 。 c y e l 衄e 器件提供差分信号支持，包括l v d s ，r s d s 、m i n i - l v d s 、l v p e c l 、 s s t l 和h s t lv o 标准。l v d s 标准支持接收端最高8 0 5 m b p s 数据速率，发送端最 高6 2 2 m b p s 。 c y c l o n e i i 器件支持备种单端v o 标准，如当前系统中常用的l v t n 、l v c m o s 、 s s t l 、h s t l 、p c i 和p c i x 标准。 c y c l o n ei i 器件支持串行总线和网络接口( 如p c i 和p c i x ) ，快速访问外部存 储器件，同时还支持大量通讯协议，包括以太网协议和通用接口。 北方1 业大学硕士学位论文 c y c l o n el i 器件支持最多达四个可编程锁相环( p l l ) 和最多1 6 个全局时钟线，提 供强大的时钟管理和频率合成能力，使系统性能最大化。这些p l l 提供的高级特性 包括频率合成、可编程占空比，外部时钟输出、可编程带宽，输入时钟扩频、锁定探 测以及支持差分输入输出时钟信号。 c y c l o n e i i 器件的n i o s i i 嵌入式处理器降低了成本，提高了灵活性，给低成本分 立式微处理器提供了个理想的替代方案。1 c y c l o n ee lf p g a 支持驱动阻抗匹配和片内串行终端匹配。片内匹配消除了对外 部电阻的需求，提高了信号完整性，简化电路板设计。c y c l o n e f p g a 通过外部电 阻还可支持并行匹配和差分匹配。 c y c l o n e1 1 器件提供强大的片内热插拔以及上电顺序支持，确保器件正确操作不 依赖上电顺序。该特性同时实现了上电之前和上电过程中对器件和三态! 0 缓冲的保 护，使c y c l o n e l l 器件成为多电压系统以及具高可靠性和冗余需求的应用的理想方案。 c y c l o n e1 1 器件具有3 2 比特c r c 自动校验功能。内置的c r c 校验电路简化了校 验流程，只需在0 u n t i e s1 1 软件中单击一下即可。这是f p g a 中对付单事件干扰( s e l i ) 问题最有效的解决方案。 c y c l o n e i l f p c x a 提供比c y c l o n e f p g a 更新更先进的特性。这些特性包括嵌入式 乘法器、支持d d r 2 和q d rl i 存储器件的外部存储器接口、片内串行匹配，以及支 持更多的差分和单端”0 标准。 c y c l o n e 器件可以采用a l t e r a 的低成本串行配置器件进行配置，这种串行配置 器件最大可提供6 4 兆比特的f l a s h 存储器。 3 2 s r a m 接口电路 $ r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度很快，且具有读，写的属性。因 此，s r a m 在系统中主要用作图像数据存储空间。 s r a m 具有操作简单和存储速度快的特点，己广泛应用在各种嵌入式系统中。 目前常用的s r a m 为8 程u 1 6 位的数据宽度，工作电压一股为3 3 v 。以该系统中使 用的i s 6 1 l ，v 2 5 6 1 6 为例，简要描述一下s r a m 的基本特性及使用方法： i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 存储容量为2 5 6 k x1 6 ，工作电压为3 3 v ，常见封装为4 4 脚t s o p ， 兼容i v r n 接口，高速存取，c h i o s 低功耗操作，完全静态操作，无时钟刷新需求， 三种输出模式，支持工业级温度下操作，1 6 位数据宽度。 i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 ；j f 脚分布及信号描述分别如图3 1 和表3 1 所示： 北方工业大学硕士学位论文 图3 1l s 6 1 l v 2 5 6 1 6 的引脚分布 表3 1 啦6 1 l 、，2 s 6 1 6 引脚信号描述 引脚 名称描述 胚 片选片选输入，低电平有效 帕e 输出使能输出使能，低电平有效 a 1 7 a o 地址总线 地址输入引脚 ，l b ，u b数据i o 屏蔽在读模式下控制输出缓冲，在写模式下屏蔽输入 数据。 d q l 5 - d q 0 数据总线数据输入输出引脚。 v c c g n d电源，地内部电路及输入缓冲电源，地。 n c 未连接未连接 5 4 3 2 ， 1 o 耵舶：呈醒河西断胁胁嘲僦：彗鼢m啊嗡孵肌椭三!肌枷 加m般船从瑶咖呦妇鼢忆姗心|耋鼢咿程舳舳船船船 北方工业大学硕士学位论文 s r a ma 0 14 4 s r a ma 1 7 s r a ma 1 ， a 0a 7 4 3 s r a ma 1 6 s r a ma 2皇 a 1a ，6 d ，s r a ma 1 5 s r a ma 3 4 a 2a 1 5 d 1 s r a mo e s r a ma 4 s a 3i 3 0 e d ns r a 瓣u b s r a mc e r a 4 n u b a q s r a ml b s r a md o 7 n c e n l b 3 b3 r a md 1 5 s r a md 1r d od ，5 3 7 s r a md t 4 s r a 雌d 2口 d 1d 1 4 ，s r a 瞒d 1 3 s r a md 3 1 0 d 20 ，3 3 s r a md t 2 rv c e 0 3 1 1 d 3d 1 2 3 4 g n d g n o 1 v c c 0g n d l 3 3 rv c c 3 3 s r a md 41 a g n d ov c c l 奠， s r a md 1 s r a md 5 1 d 阱d 1 r 1s r a md 1 0 s r a md 6 1 s d 5d 1 0 q ns p a md 9 s r a 酾d 71 r 0 6d 9 白 s r a md 8 s p a mw e7 d 7d 8 s p a r , aa 5 1 r n w en c；_ x s r a ma 1 4 s r a ma 61 q a 5 a 1 4 ，异s r a 髓a 3 s p a ma 7，n a 6a 1 3 25$rama 1 2 s r a ma 8 ，1 a 7 a 1 2 ，4 s r a 瞄a ” a ba 1 1 s p a ma 9，3s p a ma 0 a 9a 1 0 图3 2 s r a m 接1 ：3 应用原理图 图3 2 为s r a m 与f p ( 擒接口原理图，引脚上的标注与f p q a 对应，实际应用 中将实现双口r a m 的功能。 3 3 通用i o 口 系统提供7 2 个可编程的外扩 o 口，用户可将每个端口配置成输入模式，输出 模式或三态模式。在系统设计中，i o 口用来外接c m o s 摄像头和l c d 液晶屏，以 及墟d 灯，按键等，可以方便的对系统进行操作和监控。 3 4c m o s 图像传感器 3 , 4 1 图像传感器简介 设计采用美光科技公司的m t g m 0 1 | 型号c m o s 摄像头，该产品采用数字高清 晰c m o s 图像技术，具有高帧率，出众的感光度，低暗电流，简单的两线串行接口， 自动黑暗水平校准等功能。具有多样的操作模式：快照模式，闪光控制模式，高帧率 预览模式。具有多种可编程控制的参数：增益，帧率，曝光，左右上下翻转，窗口大 小等。主要应用领域：移动电话，个人数字助理，玩具，其他的电池供电产品。 图3 3 为摄像头的原理框图，包括有效像素传感阵列单元，s x g a 模式，水平方 向1 3 1 6 垂直方向1 0 4 8 ，模拟信号处理单元，时序控制单元，控制寄存器单元，模 数转换单元。 北方工业大学硕士学位论文 1 w o - w r e s e r l a lb t 5 图3 , 3m t g m 0 1 1 摄像头原理框图 s 亡r i a i i 船 s s , n c 5 i g n a b d 畦a o u t d 6 h 帕d g h i d g h d 图3 4 摄像头典型连接电路图 如图3 4 ，设计中实际应用电路，之后摄像头就可以上e 常工作。如果不进行配置 北方工业大学硕士学位论文 摄像头将按默认模式工作，用户也可以通过配置寄存器来配置实际需要的工作模式 表3 2 为各个主要引脚说明： 3 表3 2m t g m 0 1 1 引脚说明 引脚名称描述 r e s e t 复位信号异步低电平复位，复位后所有寄存器回复出厂默认设置。 s ，d 气n d b y 等待信号等于1 时进八低功耗等待模式 0 e 输出使能等于0 时输出驱动器使能。 c l k 珊 时钟摄像头主时钟最大为2 5 m h z s c l k ，s d m串行配置串行时钟和数据。 l 帆v a m 行有效输出有效像素时行有效为1 。 h 粥h 闪光控制为外部光源提供同步脉冲。 p c i k 像素时钟 在时钟上升沿像素数据有效。 d o u t g d o u t 0 像素数据数据输出端口。 v d d o电源数字i o 口电源。 v 从 电源 模拟电路电源。 v w 电源像素阵列电源。 v d d 电源数字核心电源。 a g n d 地模拟地。 d g n d 地数字地。 d g n d o 地数字l ，o 口地。 n c 未连接未连接 由于m t 9 m 0 1 1 的各工作寄存器是挂在i z c 总线上的。因此，在阐述m t 9 m 0 1 1 北方工业大学硕士学位论文 的配置前，先介绍1 2 c 总线的工作时序。 1 2 c = ( i n t c r - i n t e g r a t c dc i r c u i o 总线是由p h i l i p s 公司开发的串行两线式总线，自8 0 年代产生以来，由于其简单性和可靠性，而被广泛应用于集成电路0 c i n t e g r a t e d c i r c i l n ) 及外围设备。 1 2 c 总线的特点 仅两条线工作，串行数据线和串行时钟线，每个设备通过软件编址，或为主设备， 或为从设备，通过唯一的地址连到1 2 c 总线上，或为主设各，或为从设备，这取决于 其在某时刻所起的功能，由主设备发起数据传输。 在标准模式传输中，串行8 位传输方式和双向传输方式能达到1 0 0 k b i t s 的速度， 在快速模式传输中，能达到4 0 0 k b i t s ，在高速模式传输中，能达到3 4 m b w s 的速度。 1 2 c 定义了严格的电气接口规范，对不正确的数据进行丢弃，以及使用上的简单 化。 串行数据和串行时钟线都是双向线路，通过一个电流源或上拉电阻连接到正的电 源电压，当总线空闲时这两条线路都是高电平。连接到总线的器件输出级必须是漏极 开路或集电极开路才能执行线与的功能连接剑相同总线的l c 数量只受到总线的最大 电容4 0 0 p f 限制。如果总线线路的负载电容升高，位速率将逐渐下降。总线规定使用 非标准电源电压，不遵从1 2 c 总线系统电平规定的器件，必须将输入电平连接到有上拉 电阻的电源电压。 1 2 c 总线工作原理 由于1 2 c 总线是多主控制总线，即连到1 2 c 总线上的主设备可以有多个。因通常 主设备为微控制器，本文中对m t 9 m 0 1 1 的配置就是采用f p g a 作为主设备。通过i z c 接口对其进行初始化的。故以下对1 2 c 总线工作原理的讨论以两个连到1 2 c 上的微控 制器为例。 数据传输过程如下： 当a 控制器传输数据到b 控制器时，此时，a 控制器发起传输，则为主设备，b 控制器为从设备，传输步骤为： ( 1 ) a 控制器( 主设备) 寻址b 控制器； ( 2 n 控制器发送数据( 主传输) 到b 控制器( 从接收) ； ( 3 恤控制器终止传输。 当b 控制器传输数据到a 控制器时，此时，b 控制器发起传输，则为主设备，a 控制器为从设备，传输步骤同上，只不过方向向反。 总线构成及启止条件。总线由串行数据线( s d a ) 和串行时钟线( s c l ) 构成。 i ：c 总线在传送数据过程中共有四种类型信号，它们分别是：开始信号( s ) 、结束信号 北方工业大学硕十学位论文 ( p ) 、应答信号( a ) 和位传送信号开始信号：s c l 为高电平时，s d a 由高电平向低 电平跳变，标志开始传送数据。结束信号：s c l 为低电平时，s d a 由低电平向高电 平跳变，标志结束传送数据。四种信号的示意图如图3 5 所示： ( s )蚋0 0 。0 国，。1 、厂、厂几 图3 5 i 总线信号 ， 在串行数据线上传输的数据必须是以8 b i t s 为单位，每次传输开始后的传输多少 个曲i t s 的字节则没有限制。但是，每传输一个8 b i t s 的字节，一般必须插入一个应答 位。数据传输是以字节的高位( m s b ) 在前，如图3 6 所示： 图3 6l 总线数据传输时序 如果未传完一个完整的8 b i t s 字节，从设备被中断，从设备则将串行时钟线拉低， 强迫主设备进入等待状态。等从设备准各再次接收数据时，则释放串行时钟线。 为保证数传输的可靠性，应答信号一般是必须的。应答时钟脉冲由主设备产生， 当传完一个8 b i t s 的字节后，主设备产生一个应答时钟脉冲，并且释放串行数据线( 将 串行数据线拉高) ，从设备在应答时钟脉冲期间，将串行数据线拉低，以示应答主设 备，此次8 b 如数据传输成功。如果从设备忙，不能接收数据，则在应答时钟期间， 将串行数据线保持在高电平状态，以示没有应答，主设备在检测到没有应答后，或者 产生停止信号，以终止传输或者重新产生开始信号，以再次发起数据传输。 传输起始条件后，发送一个7 位的从地址，占第一个数据字节的高7 位( 由于传 输是先m s b 位) ，再发送一个读写标志位，占第一个数据字节的最低位。读写标志位 为0 表明足向从设备写数据，为1 表明是向从设备读数据。数据