（物理电子学专业论文）基于嵌入式linux的线阵ccd数据采集系统.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术、数字图像处理技术、c c d ( c h a r g e dc o u p l ed e v i c e ) 技术的发展与完善，机 器视觉逐步完善，并已走进工业现场。在p d p ( p l a s m ad i s p l a yp a n e l s ) 生产中也需要它们来识别生 产过程中产生的缺陷。但高速图像采集、处理与传输系统仍足一个亟待解决的难题。本文根据课题 提出的高速、实时等要求提出了基于可编程器件的高速图像采集、处理与传输系统。 实验中采用高速线阵c c d 搭建图像获取系统，并使用f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 完成图像预处理以及与上位机的数据传输与通信。 由于使用硬件实现图像处理，本系统比传统的基于d s p 处理器的系统拥有更快的处理速度。并 且由于f p g a 使用不同配置文件对应不同的算法，所以在算法实现上更加灵活。本文详细了介绍几 种图像预处理方法在f p g a 上的实现方法。接着介绍了基于嵌入式l i n u x 的网络数据传输与通信的 实现。详细阐述了基于f p g a 的n i o si i 软核处理器的硬件平台的设计以及嵌入式l i n u x 的软件设计， 从l i n u x 系统移植、设备驱动程序开发到上层的线阵c c d 数据接收与传输以及采用b s d 套接字的u d p 应用程序设计。最后介绍了上位机的数据接收程序以及测试程序的设计。 关键字机器视觉线阵c d 图像处理f p t ；ap c l i n u x a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n dt h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n ga n dc h a r g e d c o u p l ed e v i c e ( c c d ) ，c o m p u t e rv i s i o nh a sb e e na p p l i e di ni n d u s t r yf i e l d i np d pp r o d u c t i o np r o c e s s ，t h e y a r ea l s ou s e dt oi n s p e c td e f e c t so fp d p h o w e v e r , h o wt od e s i g nt h es y s t c m ，w h i c hh a sh i g hs p e e do f a c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s f e ro f i m a g ed a t a ，i ss t i l lap r o b l e m a c c o r d i n gt ot h er e q u i r eo f h i g hs p e e d a n dr e a lt i m e ，t h et h e s i sp r e s e n t sad e s i g no fc o m p u t e rv i s i o ns y s t e mb a s e do nf i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ( f p g a ) i nt h es y s t e m ，l i n e a rc c di su s e df o ri m a g ea c q u i s i t i o na n df p g ai su s e dt op r o c e s si m a g ed a t a ，t r a n s p o r t i m a g ed a t aa n dc o m m u n i c a t ew i t hp c t h eh i g h e rs p e e dd s pf u n c t i o nc a nb eb u i l tu s i n gf p g at h a nd s pp r o c e s s o rb e c a u s ef p g au s e sh a r d w a r e t oi m p l e m e n ta l g o r i t h m ，a n dt h em o r ef l e x i b i l i t yo fa l g o r i t h mc a nb ea c h i e v e db yl o a d i n gd i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o np r o f i l e si n t of p g a t h et h e s i sp a r t i c u l a r l yd e s c r i b e ss o m em e t h o d so fi m p l e m e n t a t i o no f i m a g ep r o c e s s i n gb a s e do nf p g a t h e n ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ep l a t f o r mb a s e do nn i o si is o f tp r o c e s s o r o ff p g aa n dt h es o f t w a r ed e s i g nb a s e do ne m b e d d e dl i n u x ，f r o mp o r t i n gl i n u xs y s t e mt oh a r d w a r e p l a t f o r m ，d e v i c ed r i v e rd e s i g nt oa p p l i c a t i o na b o u ti m a g ed a t at r a n s m i s s i o na n du d pv i ab s ds o c k e t p r o g r a m m i n ga r ep a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d f i n a l l y , t h et e s tp r o g r a mo fp ci sd i s c u s s e d k e y w o r d s m a c h i n ev i s i o nl i n e a rc c d i m a g ep r o c e s s i n g f p g a p c l i n u x 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 日 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 视觉系统已经被广泛的应用于工业生产与国防，尤其是那些视觉系统起着重要作用的工业领域， 比如检测、测量和集成等领域。在大规模生产制造中，厂家都希望得到1 0 0 的产品合格率，但是在 这个过程中就更困难的问题足如何分辨出真正的缺陷。随着计算机技术、图像处理技术、模式识别 和人工智能的发展，工业中使用的图像分析设备拥有了更加强大的功能和便宜的价格。这些发展使 得电子工业领域更加积极的应用自动光学检测设备在印刷电路板，光罩等生产过程中。而p d p 的自 动光学检测是一个相对新的领域。 人工检测p d p 生产过程中各个步骤只能对比标准模板，这样需要大量的劳动力，增加了生产成 本并且涉及人的主观性。而自动检测系统可以排除人的主观性并且提供快速的，可靠的，客观的检 测方案。它能够快速的识别缺陷，减少生产成本，使后续的测试和修补更加有效。 现在几乎每一块p d p 在生产过程中都被自动检测设备所检测。这样做的原因主要有一下几个方 面： 1 自动检测可以缓解榆测员繁重的劳动量。 2 人t 检测速度慢，而且成本高。 3 一些检测过程比如荧光涂层不适合人眼去检测，因为这个检测过程使用紫外光，它会对人体 造成伤害。 4 p d p 的电极是微米级的，对于人眼来说即使使用放大镜也很难辨别卜面的缺陷。 5 人工检测对于大规模的生产来说是不可行的。 1 2p d p 缺陷自动检测系统 1 2 1p d p 缺陷自动检测系统 p d p 缺陷自动检测系统为机器视觉检测的特殊应用，其实都是利用各种视觉成像系统代替人眼 完成信息输入，并进而由计算机或者专用处理器完成数据的处理、分析、判断。本课题的检测目的 为是对生产的p d p _ l f i i 板的表面图像数据实现实时采集、采集到的数据则由高速处理系统完成分析并 实现模式识别判断缺陷种类。 视觉检测系统针对不同的应用具有不同的具体形式。系统构成按照功能大致可分为视觉信息输 入设备( 视觉传感器) 、图像采集处理单元和其它一些辅助设备。 视觉传感器作为视觉检测系统的接入设备，是整个视觉信息的直接来源，它主要由图像传感器、 高速采集和其他辅助设备组成。视觉传感器的精度、性能对整个检测系统具有决定性的意义。 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) ，即电荷耦合器件，是一种新型的光电转换器件。它是在大规 模硅集成电路工艺基础上研制而成的模拟集成电路芯片，集光电转换、光积分、扫描三种功能为一 体。其基本部分由m o s 光敏元阵列和读出移位寄存器组成。c c d 器件具有体积小、重量轻、耐振动 冲击、受环境电磁场影响小、工作距离大、测量精度高、成本低等优点，被广泛应用于各种工业现 场的测量和控制中。 图像采集处理单元大致可分为两部分：图像采集单元和图像处理单元。图像采集单元是由专用视 频处理器、图像缓存以及控制接【j 电路组成。它的主要功能是实时的将视觉传感器获取的模拟视频 信号转换为数字图像信号，即灰度图像信号，并将灰度图像直接传输给后续处理设备。图像处理单 元最常用的是计算机，或专用的图像处理系统，甚拿是二者的融合。专用的图像处理系统通常使用 东南大学硕学位论文 专用集成电路( a s i c ) 、数字信号处理器( d s p ) 或者现场可编程逻辑器件( f p 6 a ) 以及相关电路组 成。结台本身器件的特殊结构专用处理系统可实时高速的完成各种敦据量巨大的低级图像处理算法， 大大降低了计算机的处理负荷，提高了整个系统的速度。图像采集处理设蔷作为视觉检测系统的灵 魂，是系统性能提高的关键。 1 3 高速图像采集系统 现代工业生产节奏不断加快，这对检测系统的精度和速度都提出了更为苛刻的要求，而微电子 技术( f p g a c p l d ) 的飞速进步则推动了高速图像处理系统的发展。特剐是近年来t 作为可编程逻辑 器件的指导厂商a l t e t a 和x i l i n x 都相继把高速趾理核嵌入f p g a 当中，这些努力都大幅提高了芯片 的处理能力为高速处理提出丁可能。 基于f p g a ，许多著名的检测设备厂商如c o r e c o ，c o g n e x ，a v v i d a 都提出了各自的产品。 囤ll a v v i d a 公司的t s u n a m i 处理板卡 图1 - 1 为加拿大a v v l d a 公司生产的基于a i t e r a 高性能f p g a 芯片的t s t m a m i 处理板卡。该板卡 为基于f p o a 技术的p c 工高端图像处理解决方案，扳上有超过1 6 0 0 0 0 l u t s 和2 0 0 个d s p 在以 6 6 q 3 2 m h z 的速率工作i o 速度可达3 g b s f f ( i a 内部总线之问的传输速度可达2 0 b s t s u t 优a l 可以多板联合经用，板间通信速度可达12 5 g b i , t s u n a m i 板卡的灵活处理能力可以替代4 5 个摩托 罗拉0 4 芯片和3 5 0 个i a t e lp 4 2 g h z 处理器，c a m e r a l i n k 接u 可以连接各种线删扫描相机，灵活的 嵌入式n i o s 处理器用于状态控制和协同c p u 处理。该板卡已经被成功的麻用于大幅面玻璃表面检 测、塑料薄板表面检测、邮票分拣等相关领域，并得到了良好应用效果。由此可见嵌入式f p g a 完成宴时图像处理检测具有非常广阔的应用前景。用户只需把精力专著于适合于检测对象的算法描 述，搭建、编译、实现，而其余的通讯、存储器配置等都由a v v i d a 公司提供，极大的简化了整个系 统的搭建过程，使得用户可以更为专注于算法的简化、提高从而也加快了整个系统的研制过程。 1 4p i ) p 缺陷自动检测系统中存在的问题 第一章绪论 1 4 1 图像数据处理能力的问题 尽管p d p 自动检测系统已经广泛应用于p d p 制造领域，但是以d s p 处理器为核心的图像处理技 术在数据量大的系统中，它的处理速度就显的比较慢。尽管d s p 处理器在硬件结构上作了大量的改 进，如增加硬件乘法累加模块和加入各种专用的加速协处理器等，但其速度瓶颈来自于基于c p u 的 指令顺序执行的基本工作模式，以及通常使用的多片d s p 组合电路和过多的外部接口电路( f p g a 通 常可以实现单片系统) 导致的信号通道过长、过复杂。 1 4 2 与上位机通信的问题 在现有p d p 自动检测系统中，与上位机的通信采用p c i 总线或者通用串行总线。虽然这些方法 的可以传输的数据量很大。但是他们的开发难度很大，而且不适合远距离的通信和数据传输。 1 5 新的解决方案 基于以卜两点在本实验中提出了应用f p g a 完成p d p 自动检测系统的高速图像采集及处理设计 方案。应用f p g a 实现线阵c c d 的数据采集以及处理；通过在f p g a 中移植嵌入式l i n u x 通过网 络完成与e 位机的数据传输与通信。 与d s p 处理器相比，采用f p g a 的方法是基于硬件实现的图像处理，所以它具有非常快的处理速 度。由于不同的配置文件下载于f p g a 后，将能获得不同的硬件结构和硬件功能，因此基于f p g a 系 统具自良好的系统结构可莺配置特性。 网络传输和无线传输足近年来数据传输的热点。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信 协议标准。该标准定义了在局域网( l a n ) 中采用的电缆类型和信号处理方法。以太网在瓦联设备之间 以l o m b p s - l o o m b p s 的速率传送数据，双绞线电缆l o o b a s e - t 以太网由于其低成本、高可靠性以及 l o o m b p s 的速率而成为应用最为广泛的以太网技术。而且基于操作系统的网络技术开发难度小。 1 6 论文的主要工作 本课题主要研究了线阵c c d 驱动的设计方法、基于f p g a 的图像处理方法的实现以及图像数 据网络传输的实现。论文的主要内容如下： 第一章绪论，介绍了国内外的数据采集方i f i 的研究现状、选题的目的和意义以及毕业论文的主 要内容。 第二章丰要介绍了线阵c c d 的工作原理，其中包括了c c d 的基本原理、c c d 的选型以及本系 统中用到的芯片t c d l 5 0 0 c 和它的驱动程序设计。 第三章介绍了现场可编程逻辑门阵列机器开发技术以及开发工具等。 第四章重点介绍了基于f p g a 的图像处理方法的实现，包括中值滤波的实现以及最大类间方差 法求图像阂值的实现。 第五章详细介绍了基于嵌入式l i n u x 网络数据传输的实现以及具体软件实现的流程图。 第六章调试与总结，介绍了本系统实际的调试应用情况，并总结了本系统的优缺点，说明了下 一步需要改进的地方。 3 东南大学硕士学位论文 第二章线阵c c d 的数据采集 2 i 图像传感器介绍 6 0 年代末期，美国贝尔实验室w s 波涅尔、g e 史密斯等人发现了电荷通过半导体势阱发生转 移的现象，提出了电荷耦合这一概念和一维c c d 器件模型，同时预言了c c d 器件在信号处理、信号 存储及图像传感中的应用前景。特别是7 0 年代后期，许多公司相继研制成功了面阵和线阵c c d ( c h a r g e dc o u p l ed e v i c e ) 器件。c c d 是一种利用内光电效应由单个光敏元构成的光传感器的集成化， 它集电荷存储、移位和输出为一体，应用于成像技术、数据存储和信号处理电路等。其中作为固体 成像器件最有意义：像素的大小及阵列固定，很少出现图像失真，比传统摄像仪体积小、重量轻、工 作电压低、可靠性高、动态范围人等特点。根据不同用途的需要，已经研制出多种规格的c c d 传感 器，并正向高灵敏度、高密度、高速度和宽光谱响应方向发展。目前，c c d 图像传感器已成为摄像 机、数码相机、扫描仪等多媒体系统的核心部件。 c c d 器件由许多光敏单元组成，每个单元就是一个m o s 电容器。它是在p 型s i 衬底的表面上用 氧化的办法牛成一层厚度约1 0 0 0 a - 1 5 0 0 a 的s i0 2 ，再在s i o z 表面镀一层金属层( 多晶硅) ，在衬底和 金属电极间加上一个偏置电压，于是构成了一个m o s 电容器。感光元件按照线状排列形成线阵c d c ， 施以不同的驱动脉冲即可完成光敏数据的产生和转移。依据单元的排步方式可分为线阵、面阵、环 形c c d 。基于c c d 具有的数据准确、直观、高速等特点，国内外普遍应用线阵、面阵c c d 组建图像 检测系统，但受限于两种c c d 的不同制造下艺，两种方法的适用范围各不相同。 2 2c c d 的选择 惑硌嚣群型篷 k 厂一j k 厂一 图2 1c c d 原理图 对于面阵c c d 来说，应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵c c d 的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵 少，帧幅率受到限制，而线阵c c d 的优点是。维像元数可以做得很多，而总像元数较面阵c c d 相机 少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。 由于生产技术的制约，单个面阵c c d 的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。线阵c c d 的 优点是分辨力高，价格低廉，如t c d l 5 0 1 c 型线阵c c d ，光敏像元数目为50 0 0 ，像元尺寸为7 0m 7 um 7 um ( 相邻像元巾心距) 该线阵c c d 一维成像长度3 5m m ，可满足大多数测量视场的要求，但 要用线阵c c d 获取二维图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件卜的对 应位置，还必须配以光栅等器件以记录线阵c c d 每一扫描行的坐标。一般看来，这两方面的要求导 致用线阵c c d 获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低：由于扫描运动及相应的位最反 馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响 测鼋精度。 即使如此，线阵c c d 获取图像的方案在以下几方面仍有其特有的优势：线阵c c d 加上扫描机构 一4 一 第二章线阵c c d 的数据采集 及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的面阵c c d = 扫描行的坐标由光栅提 供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵c c d 像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵c c d 获取的图像在扫描方向上的精度可高于面阵c c d 图像：新近出现的线阵c c d 亚像元的拼接技术可将 两个c c d 芯片的像无在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1 2 个像元，相当于将第 二片c c d 的所有像元依次插入第一片c c d 的像元间隙中，间接“减小”线阵c c d 像元尺寸，提高了 c c d 的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减小c c d 像元尺寸的难题，在理论上可获得比 面阵c c d 更高的分辨率和精度。 冈此，在要求视场大，图像分辨率高的p d p 缺陷检测中，选用线阵c c d 加扫描运动获取图像的 方案更具优势。 2 3 线阵c c d 的驱动设计 在实验系统中我们选择了日本东芝公司生产的线阵c c d - t c d l 5 0 0 c 。它具有高灵敏度、低暗电流 的特性。t c d l 5 0 0 c 的有效像元数为5 3 4 0 像元，像元尺寸7 pm 7 pm 7 pm ( 相邻像元中一5 q 巨为7 pm ) ， 分辨率可以达到2 4 1 i n e s m m 。单电源v 5 供电，v 5 脉冲驱动。具体特性参数参见表2 1 c h a r a c t e r i s t i cs y m 8 0 lm l n t y p m a u n r rn o t e s e n s i t i v i t y r3 84 85 8v ，l x s p r n u1 0 ( n o t e2 p h o t or e s p o n s en o nu n i f o r m i t y p r n uc 3 ) 38m v ( n o t e3 ) r e g i s t e ri m b a l a n c e 雕3 ( n o t e4 ) s a t ur a t i o no u t p u tv o l t a g e v s a l 1 o1 s v ( n o t es ) s a t ur a t i o ne x p o s u r es eo 7o 3i x - s( n o t e6 ) d a r ks , g n a lv o l t a g e v d r k 2m v n o t e7 ) d a r ks i g n a ln o nu n i f o r m i t yd s n u 3m v ( n o t e7 ) a n a l o gc u r r e n td i s u p a tn o n l a d 2 0m a d r i v e rc u r r e n td i s s i p a t i o n i d d 1 0m a t o t a lt r a n s f e re f f i c i e n c y丌e9 2 o u t p u ti m p e d a n c ez o o sk n d y n a m i cr a n g e d r1 s ( n o t e8 ) d cs i g n a lo u t p u tv o l t a g e v o s 3 s4 s 6 ov n o t e9 ) d cc o m p e n s a t i o no u t p u tv o l t a g e v d o s 二 s4 6 ov ( n o t e9 ) d cm i s m a t c hv o r a g e l v o s v d o s i o om v 表2 1t c d l 5 0 0 c 的特性参数 一5 - 东m 大学m | 学位论z 图2 2t c d l 5 0 _ 0 c 驱动时序图 t c d l 5 0 0 c 的驱动脉冲由中、r s 、s h 、s p 组成。其中中为移位寄存器驱动脉冲，又称时钟脉冲：r s 为复位脉冲s h 为帧转移脉冲，它的蒯期决定光积分时间( 扫描时问) s p 为采样保持脉冲。t c d l 5 0 0 c 器件内部设青采样保持电路所以t c d l 5 0 0 c 输出信号去掉了调幅信号的脉冲成分，输出幅度直接反 映了像敏单元的照度。如图22 所示，为了扫堪l 行残存的信号电荷，该器件多设置了7 6 个哑元，所 以个s h 的信号周期麸有5 4 1 6 个像元输m 。这地驱动信号输 c c d 器件性c c d 器什完成光电转换， 得到两路输出0 s ( 视频输出) 、d 0 s ( 补偿输出) 信号。 在本实验中使用a l t e r a 公司的c p l d - e p m l 2 7 0 1 4 4 c 5 通过编写v e r i l o gl d l 硬什描述语言产生 t c d l 5 0 0 c 芯片所需要的驱动信号，使用8 1 z 的外部品振。图23 是使用。u a r t u si i 进行时序仿真的四 个c c d g g 动信号的相位关系图。 ih m v 。b e 。a l ji一 一0 i c l kb0 甘1 ir sb0 鲴s p a0 d 3 ic r lao d 4 is ha 1 幽2 3 四个驱动信号的时序仿真幽 外部品振产生经过c p l d 巾的逻辑电路分频后得到t c d i s 0 0 c i e 常上作所需要的4 路脉冲，控制a d 转换所需要的像元蚓步脉冲a d s l k ，以及行吲步信号f c ( f c 的上升枯对应于c c d 的第1 个有教像素币 元) 。e h 于t c d l 5 d o c 需要的是c m o s q l 平，因此可把这4 路脉冲经过7 4 h c 0 4 后再送给t c d i s o o c 。 第二章线阵c c d 的数据采集 图2 4t c d l 5 0 0 c 驱动电路框图 2 4 线阵c c d 输出信号处理 在四路驱动波形的作用下，t c d l 5 0 0 c 输s o s 信号及d o s 信号，其中0 s 信号含有经过光积分的有效 光电信号，d o s 是输出的补偿信号。o s 信号与d o s 信号中被r s 容性干扰的相位部分是相同的，可以采 用差分放大器来完成信号的抑制共模干扰与放大。为了抑制宽带白噪声，随后义加入了一级低通滤 波电路。低通滤波出来的信号在c p l d 产生的像元同步脉冲a d - c l k 的作用下进行a d 转换，转换以后 的数字信号在行同步脉冲f c 的控制下f l h f p g a 读取。线阵c c d 输出信号处理部分的电路框图如图2 5 所 示 2 5 本章小结 图2 5 线阵c c d 输出信号处理框图 在深刻地分析了c c d 原理的基础e ，分别分析比较了线阵c c d 和而阵c c d 应用在检测系统 中的优缺点，并针对本课题需要确定了应用线阵c c d 搭建采集系统的设计思路，进而根据设计资 料完成了高速线阵c c d 驱动的设计。通过最后的联机调试，本设计方案达到了对图像数据的采集、 传送，为后续的f p g a 处理系统提供了可靠的原始数据。 7 东南大学硕l 学位论文 第三章现场可编程门列阵及其开发技术 3 1f p g a 介绍 现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a yf p g a ) 是2 0 世纪8 0 年代出现的一种新型 可编程逻辑器件。它由若干独立的可编程逻辑模块组成，用户可以通过编程将这些模块连接成所需 的数字电路系统。 f p g a 通常是基于查找表( l u t ) 技术，包含可编程逻辑功能块、可编程i 0 块和可编程互连三类可 编程资源。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，通常排列成一个阵列，散布于整个芯片， 可编程i o 块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周：可编程内部互连 包括各种长度的连接线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或i 0 块连接起来，构 成特定功能的电路。不同j 家生产的f p g a 在可编程逻辑块的规模，内部瓦连线的结构和采用的可编 程元件上存在较大的差异。目前较常用的有a l t e r a ，x i l i n x 和l a t t i c e 公司的f p g a 。 f p g a 是当今应用极为广泛的可编程专用集成电路( a s i c ) ，自从1 9 8 4 年x i l i n x 公司发明f p g a 以来，它就以其特有的高速适应性得到了广泛的应用。利用该器件，并借助与之配套的c a d 开发工 具可以方便的设计器件，实现用户的各种专门功能。同时，它还拥有a s c i 不具备的静态可重复编程 和动态系统重构的特性，使得硬件系统具有类似软件系统的灵活性和可开发性，甚至是在系统运行 中不停的根据具体情况随时进行配置。这样大大的降低了开发的风险和成本，加强了产品的灵活性 和通用性。 近几年来的f p g a 具有如下的发展特点，支持d a 、a d ，包含高达5 0 0 m h z 的差分接口：采用片 内锁相环( p l l ) ；更为丰富的前i 线资源对逻辑和i 0 功能块作进一步的简化；为了满足用户对不同规 模的r a m 的要求，芯片内提供了大容量的r a m 块并可任意配置为用户所需要的，同时支持片外r a m ； 增加嵌入式处理模块，诸如d s p 模块或者p o w c r p c 等模块的应用都大幅提高了芯片的处理能力；i o 功能块有快速的f o 驱动、寄存的输入和输出、三态使能控制可编程的扭曲率、上拉和输入延时等 控制的特性。此外，芯片的制造t 艺的加强也使得器件能在较低的电压下t 作，i o 块具有兼容几 种电压标准的能力，保证新的工作电压器件能与前几代器件在不同的电压下连接。另外，新的技术 都采用s r a m 的查找农结构，即由s r a m 存储的数值控制器件中可编程节点的通断来实现要求的 功能。 近年来，片上系统( s o c ) 的飞速发展，使得具有系统级性能的f p g a 设计和开发成为了一个重 要的发展方向。a l t e r a 公司发布了基于f p g a 结构，嵌入高速d s p 处理模块的新一代芯片。新产品 更加大幅度的提高了e a b 的容最、数量。精细p l l ( p h a s el o g i cl o c k ) 使得整个系统的时钟分布更为 灵活、精确。同时，单个f p g a 器件中集成了组成电予系统的3 类硬件部件一存储器、d s p 、逻辑 器件，并满足高速数字电路和数字信号处理等对时钟管理、信号完整性、高速宽带接u 标准等提出 的高要求。本实验中采用c y c l o n ei ie p 2 c 7 0 ：卷片，它拥有6 8 4 1 6 个l e ，1 5 0 个1 8 x1 8 嵌入式乘法 器，2 5 0 块m 4 kr a m ，4 个p l l 。 3 2c y c l o n ei i 器件介绍乜1 3 2 1c y c l o n e i i 的构架 一8 一 第= $ 现场日编挫逻辑 阵列及萁 发技术 c w i o n e i i 采用铜层、低k 值、】2 伏s r a m 工艺设计，裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用 3 0 0 毫米品圆，咀t s m c 成功的9 0 u m 工艺技术为基础，采用了d i r t d f i v e 技术和快速连续 m u l t i t r a c 互联技术。m u l t i t r a c k t m 互联技术可以根据走线不同k 度进行优化，改善内部模块之问 的互联性能。a l t e m 公司特有的d i r e c f l d n v e 技术保证片内所有的函数可以直接连接使用同一布线 资源。这两种技术与g i l a r m s i i 软件捉供的功能j 日结合，便于进行模块化设计，简化了系统集成。 c y c l o n e i i 架构包含超过6 8 k 个纵向排列逻辑单兀( u 目，嵌入式存储器块、嵌入式乘法器和锁相 环( p l l ) ，它们被帅单元o o z ) 包围在中问( 见罔3i ) 。高散互连、低歪斜的时钟网络在每个结构 之间提供时钟和数据信号连接。 图3lc y c l o n e i i 平而罔 32 2c y c l o n ei i 嵌入式乘法器 c y c l o n e i if p g a 内部的嵌入式乘法器能够实现在典型d s p 功能中经常用到的简单乘法器操作， 每个嵌入式乘法器( 见图32 l 都能够被配置成为个1 8 5 1 t s x l 8 b i t s 的乘法器，或州个9 b i t s 9 5 i t s 的乘法器。 a 匡 - o 硼o n a l 融a m 网32c y c l o n e i i 器件内部的嵌入式乘法器 嵌入式乘法器问时支持有符号和无符号数的乘法。它还提供可选的输八和输出寄存器，埘以提 高性能。嵌入式乘法器也可以与c y c t o n e i i 器件的姒kr j i 块进行无缝集成，实现使用包括乘法和 存储器操作的高效d s p 算法，如f i r 滤波器和视频处理。 32 3c y c l o n ei i 的时钟管理电路 c y c l o n e i i 器什具备最多4 个增强型锁柏环( p l l ) ，提供先进的时钟管理能力，例自l 频率合成 东南大学硕学位论文 可编程相移、外部时钟输出、可编程占空比、锁定检测、可编程带宽、输入时钟扩频和支持高速差 分输入输m 时钟信号。c y c l o n e1 1 器件的p l l 简化了时序问题和整体电路扳版面设计。c y c l o n e l l p l l 提供了经济的时序控制方案，应用于包括消费、通信、计算、汽车、工业和无线系统等领域。 国3 3 描述了c y c l o n e l ip l l 的原理框图。c y c l o n e i ip l l 提供了时钟合成能力，允许内部时钟在 与输入时钟频率不同的频率下运行。每个p l l 能够提供最多选3 个输出时钟，每个输出时钟的颁率 可互不相同。p l l 提供m 倍频或恤x p o s t s c a l e 计数器) 比率的分频，这里m 、n 和p o s t - s c a l e 计数器 可以是1 到3 2 中的任何整数。 图33c y c l o n e i i 器件的p l l 原理框图 3 2 4c y c l o n e l i 嵌入式处理器 n i o s 1 1 系列嵌入式处理器在c y c l o n e l if p g a 一1 - 实现，可以为价格敏感的以及涉及大量计算的 应用提供高性价比的处理方案。在c y c l o n ei i 器件中实现n i o s i i 嵌入式c p c 内坎，能够达到超过 1 0 0 i ) m i p 的性能。虽大的c y c l o n e i i 器什内具有多选6 8 ，4 1 6 个l e ，单个器件内可以例化多个n i o s 1 i 曲核，每个内恢都可以实现如下功能r 运行卟操作系统 通过一个以 阿连接提供远程升级和f p g a 配置 数据和i 0 处珲 基于成功的第代n i o s 处理器，在c y c l o n e l l 器件中实现n i o s l l 处理器，给价格敏感的应用提 供了个最佳的解决方案。消费电子、通信、计算、1 _ 业、汽车和无线市场领域都受益于嵌入式软 核处理器与低成本f p g a 的集成。特别是象数字多媒体刚关、低端交换机及路由器，以及汽车娱乐 系统等应用，更受益于单芯片系统的实现能够利用n i o s i i 处理器和c y c l o n e l if p g a - 图34 所示为多个n i o s l l 嵌入式处理器是如何集成到一个c y c l o n e i i 器件t 去的。在这种系统 巾，通常青个数据搬运处理器，控制外部接u ( p c i 和以太网) ，片外s d r 删和任意i p 核之间的 数据流动。另一种处理器还可以删来处理人机交互界面( 例如键盘、l c d 显示器，从高速器件功 能巾分担低速任务。 第章现场可犏程逻辑1 阵列驶“”发技术 蔼i 巫 圆i i 圆圃 图35c y c l o n e i if p g a 内例化系统 3 3 利用f l e a 实现数字信号处理的优点 33 1 实现数字信号处理两种方法 实现数字信号处理】：要肯两种形式：辛 是用数字信号处理器( d s p ) ，通过软件编程来实现：另 种是应用用集成电路芯片或可编程大规模集成电路来实现。第一种利用软件编程来实现，虽然 有很大的灵活性，但受d s p 本身性能及程序指令顺序执行的限制，难以实现高速、大规模运算而号 用集成电路芯片或可编程太规模大规模集成电路却可以实现很高的运算速度，非常适合高速信号处 理系统的应用。 33 2 实现数字信号处理两种方法的比较 本节对传统d s p 技术与现代d s p 技术作个般性的比较。返节的传统d s p 技术主要是指以d s p 处理器为核心或作为主要处理单元的d s p 应用系统及其开发技术( 包括将f p g a 作这些系统中u s p 辅 助处理或接口等功能的情况) ，现代d s p 技术丰要指的是第一种形式巾的可编程人规模集成电蹄实现 ( 即使用f p g a 技术) 。需要指m 的是，罕少在目前这两种技术还没有较好地相瓦替代( 或相互包含、 捕瓦覆盖) ，也没有很好地相瓦融合。 严格地说，现代d s p 技术小可能融八传统d s p 技术，但反过来却可以归属于传统技术范畴，圆 为其自底向上的鞋计流程没有改变。 现代d s p 技术与传统d s p 技术的小i 司之处主要表现在吼下几个方面： i ) 系统上作速度不同 与f p g a 相比，d s p 处理器最大的劣势之一是处师速度比较慢；尽管在硬什结构l 作了大城的改 进，如增加硬件乘法累力模块和加 各种专崩的加速协处坤器等。但其速度瓶颈来自于基于c p u 的 指顺序执行的基本i 椎模式以及通常使用的多片d s p 纽台电路和过多的外部接u 电路( f p g a 通 常可以实现单片系统) 导致的信号通道过长、过复杂。 2 ) 系统结构可重构性不i 司 虽然加载小同的软4 1 程序能够改变d s p 处理器的功能，但这种相对于a s i c 系统来说十分灵活的 东南大学硕上学位论文 功能并没有什么实用价值。因为仅仅通过对d s p 处理器加载不同的程序代码，并不能有效地改变d s p 系统的诸如吞吐量、数据总线宽度、d s p 加速模块的数量与功能、调制模式( 如a m ，f m ，i s b ，f s k ，p s k ， m s k ，q a m 等) 、实时加密算法、模块d s p 系统、处理频段带宽、通信协议、动态范围、制式等技术 参数和技术方案。这是冈为这一切必须完全改变硬件结构、硬件功能和硬件组成才能实现。也就足 说除非d s p 系统具有硬件可重构性，即结构有可重配置性才能实现上述变化。 由于不同的配置文件下载十f p g a 后，将能获得不同的硬件结构和硬件功能，因此基于f p g a 的 d s p 系统具有良好的系统结构可重配置特性。 3 ) 系统知识产权自主性不同 由于基于f p g a 的d s p 系统主要是纯硬件系统设计，可选的硬件实现方式很多，因此系统具有较 好的自主知识产权属性。基于d s p 处理器的系统则没有这种属性。 4 ) 开发技术标准化、规范化与技术兼容性不同 为了适应不同d s p 应用系统的技术指标要求和适用领域，必须推出不同系列和具有不同功能特 点的d s p 处理器，而不同的d s p 处理器其硬件结构通常都有较人的差别，冈此对应不同的汇编语言， 需要不同的软硬件开发工具和仿真器。此外，由于相应的c 程序的运行效率比较低，实时要求较高 的系统仍然需要利用汇编语言进行开发，因此，调试成熟的软件模块难以移植和再利用。在这里， 硬件结构与计算机语言的密切相关性、仿真测试与硬件系统的密切相关性，以及系统性能与d s p 处 理器选择的密切相关性，注定了无论是设计流程、仿真开发工具还是开发语言都不可能得到标准化、 规范化，从而极大地降低了d s p 开发技术的学习效率、开发效率、实现效率及升级更新效率。 传统d s p 技术难以标准化的另一重要原因是，该技术的实现流程过于单向化，技术兼容性不好， 很难与其它开发技术融为一体。如单片机开发技术、嵌入式系统开发技术、可配置模拟系统开发技 术、大规模可编程逻辑系统开发技术等。开发技术标准化和规范化是现代d s p 技术的优势之一。自 顶向下的设计流程为d s p 开发技术的标准化莫定了基础：标准化的硬件描述语言和大量支持这一语 言的综合器与仿真器构成了这一技术的核心：功能强大、适用面广的d s p 开发集成环境将多种开发目 标兼收并蓄：大规模的可重配置器件f p g a c p l d 及相关的软硬i p 核确保了d s p 硬件系统高效高质的 实现。 5 ) 掌握开发技术的难易程度不同 掌握传统d s p 技术的困难主要来自以下几个方面： ( 1 ) 不同的开发目标需要选择不同的d s p 处理器，详细了解d s p 器件的结构对正确地设计d s p 硬件系统至关重要，特别需要多片d s p 联用时更是如此。对器件硬件结构的熟悉和关注能力需要相 当的硬件开发经验，这显然增加了学习的难度。 ( 2 ) 不同的d s p 处理器结构将对应不同的汇编语言，以及不同的编程方法和编程技巧。语言与结 构的密切相关性在明显增加学习难度的同时，缩短了新的计算机语言的可用性周期，即学会的软硬 件知识容易过时。 ( 3 ) 不同的d s p 处理器结构、不同的汇编语言及其对应的不同的d s p 系统结构，都将对应不同的 仿真开发工具以及编译软件。 ( 4 ) 由于必须直接使用计算机语