基于ARM和FPGA的嵌入式高速图像采集存储系统

1、2009年第22卷第2期图像编码与软件 收稿日期:2008206219作者简介:孙浩(1983-,男,硕士研究生。研究方向:嵌入式技术与防空武器装备运用。基于AR M 和FPG A 的嵌入式高速图像采集存储系统孙浩(防空兵指挥学院研究生管理大队,河南郑州450052摘要文中设计实现了基于AR M 和FPG A 的嵌入式高速图像采集存储系统,采用双SRAM “乒乓”读写操作和嵌入式CF 卡存储等方法,解决了嵌入式图像实时采集存储的难题,提高了图像采集的速度和应用领域,具有实际的使用价值。关键词嵌入式;图像采集;AR M;FPG A中图分类号TP391141文献标识码A 文章编号1007-7820

2、(200902-005-03Em bedded H i gh 2speed I mage Ga ther i n g and Storage Syste mBa sed on AR M and FPGASun Hao(Depart ment of Postgraduate,A ir Defense Forces Command Academy,Zhengzhou 450050,China Abstract The e mbedded high 2s peed i m age gathering and st orage syste m based on AR M and FPG A is de

3、 2signed .The methods “ping pong ”read 2write operati on of double S RA M and e mbedded CF card st orage are adopted s o that the pr oble m of e mbedded real 2ti m e i m age gathering and st orage is s olved and the s peed of i m age gathering is increased .This design ex pand the do main of i m age

4、 gathering applicati on and is theref ore of great practical value .Keywords embedded;i m age gathering;ARM;FPG A现代化生产和科学研究对图像采集系统要求日益提高。传统图像采集系统大都是基于PC 机上,而在一些特殊的场合,尤其是在实时性要求较高时,普通的PC 机显然无法满足应用要求。文中设计了一种基于ARM 和FPG A 的嵌入式的图像采集存储系统,可以很好地解决实时的嵌入式图像采集和存储问题。它主要包括图像采集模块、图像处理模块以及图像存储模块等。1系统结构及工作原理本系统的结构模型

5、,如图1所示。图像采集模块负责采集原始图像,并将原始图像数据送给FP 2G A,采用了可编程视频输入处理器S AA7113H 。原始图像数据送到FPG A 后,FPG A 将原始图像数据暂存于两个SRAM 中,系统采用了A lter 公司的EP1K30T C144-3和I CSI 公司的I S6LV25616AL 。一帧图像采集完成后,ARM 将图像数据通过FPG A 取出,进行必要的处理,并形成图片文件存到CF 卡中,本系统选用了Phili p s 公司的LPC2214。图1系统结构框图图像采集芯片将原始图像数据传到FPG A,FP 2G A 将图像原始数据暂存于SRA M1中,当一帧图像存

6、储完后,下一帧图像数据存于S RA M2中。同时,将SRA M1中的数据送给AR M ,AR M 在对原始图像进行必要的处理后,将图像数据以图片文件的方式存储在CF 卡中。这样就实现了嵌入式高速图像采5图像编码与软件基于AR M 和FPG A 的嵌入式高速图像采集存储系统 集和存储功能,用户可以很方便地将CF 卡上的图片上传到PC 机中进行进一步的分析和处理。2系统硬件设计211图像采集模块用可编程视频输入处理器S AA7113H 进行视频信号处理。S AA7113H 内部集成了强大图像色度、亮度处理功能以及多种输出模式;有32个工作寄存器,在系统复位时,必须通过I 2C 总线对其进行初始化1

7、。本系统使用灰度图像,没有使用色度信号,所以数据线为8位。S AA7113H 与FPG A 的接口,如图2所示。 图2S AA7113H 与FPG A 的接口示意图212FPG A 模块FPG A 主要作用是把图像采集芯片传过来的图像原始数据,采取乒乓操作的方式,暂存于两片SRAM 中。当FPG A 开始接收第一帧图像时,把该 帧图像根据FPG A 内部生成的地址存储在SRAM1中,一帧图像接收完毕后,向AR M 传送。同时,把下一帧图像暂存于SRAM2中,然后传给ARM ,依次循环。这样就可以实现图像的高速采集。本系统选用了A lter 公司的EP1K30T C144-3,它采用EEC MO

8、S 技术,144引脚T QFP 封装,容量为10万门,具有高密度、低成本、低功耗的特点2。FPG A 的内部结构包括时钟驱动模块、S AA7113H控制模块、SRAM 控制模块、AR M 数据交换模块等。S AA7113H 控制模块主要负责对视频采集芯片S AA7113H 的初始化和启停等功能控制;SRAM 控制模块则主要进行读写地址生成、“乒乓”读写控制等;AR M 数据交换模块负责向AR M 申请中断和数据传输。这些模块在设计中利用VHDL 语言,在Quartus II 环境下进行编程和调试,具体实现方法参见文献3-5。本系统中,主要针对640×480的灰度图像的采集和存储,所以

9、选用了I SSI 公司的I S61LV25616AL,它是一种高速度、低功耗的256kB ×16的C MOS 静态随即存储器,能够满足系统的实际要求6。SRAM 控制模块的内部结构框图,如图3所示。图3S RAM 控制模块的内部结构框图213AR M 模块AR M 模块的主要作用是,从SRAM 中取出图像原始数据,然后进行必要的处理,再存储在大容量的CF 卡上,方便用户在PC 机上对图像进行必要的处理操作。FPG A 接收完一帧图像后,向ARM 发出中断请求,AR M 收到请求后,通过FP 2G A 将SRAM 中的数据读入。一帧数据发送完毕后,FPG A 发出发送完毕信号,AR M

10、 对接收到的数据进行必要的处理后,将数据存储在大容量的CF 卡上。本系统选用了Phili p s 公司的LPC2214,它是基于AR M7T DSI 体系的嵌入式微处理器,内部具有16k B 的静态随机存储器和256kB 的Flash 程序存储器,可实现高达60MHz 的工作频率7。ARM 与FPG A 及CF 卡的接口电路分别,如图4,图5所示。基于AR M和FPG A的嵌入式高速图像采集存储系统图像编码与软件3系统的工作原理及实现311FPG A图像采集及暂存的实现系统上电后,FPG A首先通过I2C总线对视频采集模块(S AA7113H进行初始化,以确定其工作模式。初始化结束后,等待图像

11、采集命令。当接收到FPG A发出的图像采集命令时,视频采集模块开始工作,FPG A依靠像素时钟和行场同步信号采集灰度图像。由于S AA7113H输出的灰度图像是8位的,而外部的SRAM是16位的,因此在FPG A 中必须对采集到的灰度图像进行处理,将两个字节的数据组合,一起输出到外部SRAM中。一帧图像采集结束后,S AA7113H停止图像采集,等待下一次的采集命令。312FPG A与AR M的数据交换为了实现图像数据的实时采集与处理,应使图像数据的采集与外部图像数据的读取同时进行。因此本系统采用双SRAM缓存结构。这样,在同一时刻,一片可用于存储图像数据,另一片可用于外部AR M对图像数据的

12、读取。两块SRAM存储区乒乓式切换。当图像数据写满SRAM1时,FPG A 向ARM发送一个中断信号,然后,ARM响应中断并读取SRAM1中的图像数据,同时将其写入到CF 卡中,图像数据将写入SRAM2,当图像数据写满SRAM2时,FPG A也向AR M发送一个中断信号。ARM响应中断并读取SRAM2中的图像数据,同时将其写人到CF卡中。之后,图像传感器的数据将再次写入SRAM1。313图像数据在CF卡上的存储CF卡内部控制器设计完全模拟硬盘,使用标准的AT A/I D E接口界面,可通过I D E接口与电脑连接,而且早已实现无驱动设计,使用非常方便。在本系统中,图像数据通过AR M存入CF卡

13、,因此必须实现ARM对CF卡的配置、读写控制等操作。AR M对CF卡驱动的接口函数由硬件接口函数和用户使用函数组成,硬件接口函数是与系统硬件相关的函数集。主要包括硬件复位函数、AT A 寄存器操作函数和AT A设备探测函数;用户使用函数包括AT A设备驱动初始化函数、查找AT A接口设备函数、读扇区函数、写扇区函数、获取设备信息、使设备立即进入待机状态和使设备立即进入空闲状态8。由于篇幅所限,这里不再一一介绍,读者可以根据CF卡的具体参数编写相应的函数。4结束语文中介绍了用AR M和FPG A实现的一个嵌入式实时图像采集存储系统的设计方案,本系统的工作温度为060,可以实现每秒2030帧的视频

14、流灰度图像采集和存储,能够满足嵌入式实时图像采集存储的应用要求,系统的持续工作时间取决于CF卡的存储容量。在本系统中,图像的采集存储脱离了PC机,使图像的采集存储真正达到了实时性和嵌入式的要求。本系统可以应用在军事射击评价、工业产品质量检测、医疗和生物等领域。参考文献1Phili p s.S AA7113HZ/OL.w w w.21ic.co m,(1999-7-182008-06-01.2A ltera Cor p.Cycl one Device HandbookZ/OL.www.,(2007-01-122008-05-18.3王建校.S OPC设计基础与实践M.西安:西安电子科技大学出版社,2006.4王辉.MAX+p lus II和Quartus II应用与开发技巧M.北京:机械工业出版社,2007.5周润景.基于Quartus的FPG A/CP LD数字系统设计实例M.北京:电子工业出版社,2007.6I SSI.I