南京航空航天大学金城学院大学生创新项目申报书(FPGA平台下基于Nios-II的照相机系统设计)

南京航空航天高校金城学院2014年高校生创新基金项目申报书项目名称：FPGA平台下基于NiosII的照相机系统设计申请人：许毅立项目所属一级学科名称：电子科学与技术专业：电气工程及其自动化学号：2012031205身份证号：联系电话：电邮：1213077636@qq指导老师:李宝平职称讲师指导老师联系电话：指导老师电邮：leebaoping@vip.qq申请日期：2014年3月26日南京航空航天高校金城学院教务处项目简况项目名称FPGA平台下基于NiosII的照相机系统设计√项目类别√A、科学试验和科技制作、科研类；B、学术论文、社会调查类；C、其他类；申报种类√A、省级项目B、院重点项目C、院一般项目√项目时间2014.05-2015.05项目经费预算5000-6000元项目负责人姓名许毅立性别男民族汉诞生年月1993.10.14学号2012031205班级20120201专业电气工程及其自动化平均学分绩点3.2联系电话项目组成员姓名性别学号所在系部联系电话学分绩点签字任严炜男2012031208自动化系3.45陈立刚男2012071217民用航空系3.5第一指导老师状况姓名性别民族职称诞生年月李宝平男汉讲师1984.12最终学位最高学历所学专业-专业方向学士本科应用物理学、电子与通信工程（硕士在职在读）主要教学工作高校物理试验、电工电子技术试验、电工电子实践、信号与系统试验、模拟电子技术试验主要科学探讨工作试验教学、嵌入式系统设计、可编程逻辑器件设计其次指导老师状况姓名性别民族职称诞生年月朱娴女汉讲师1984.01最终学位最高学历所学专业-专业方向硕士本科电子与通信工程主要教学工作高校物理试验、数字电子技术、教学实践、信号与系统试验、电工电子技术试验主要科学探讨工作试验教学、可编程逻辑器件设计高校生创新基金申报书附件——创新基金项目方案（必备）附件内容：项目探讨的内容、目的和意义、详细目标等国内外的探讨状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）探讨方法、探讨方案及可行性（理工类项目填写技术路途和技术指标）项目的特色与创新点（50字以内）对项目的爱好所在和已有的学问积累或实践基础现有的资源实施安排及预期成果经费预算（其中须包括项目设计思路，项目特色和创新，项目试验条件的可行性报告，项目经费预算明细等）指导老师看法：指导老师签字：年月日系部举荐看法：系部公章系主任签名：年月日

高校生创新基金申报书附件——创新基金项目方案附件内容：项目探讨的内容、目的和意义、详细目标等本项目探讨的是通过设计一个基于现场可编程逻辑器件（FPGA）的32位软核处理器NiosII，通过摄像头采集数据，呈现在显示终端上，实现实时拍照的功能。利用FPGA的高速数据处理实力，对拍照的图片实时的处理、分析、优化、美化，并保存到具有FAT文件系统的SD卡上。在SD卡上储存的照片，可以重新调用，并呈现在显示终端上。本项目是一个数码照相机的完整的实现。本项目的意义在于，首先要完成CPU的硬件设计。当今的项目中，大都采纳的是现成的MCU，如单片机、STM32、ARM等，运用简便，但是定制性差、可裁剪性不强。我们这里采纳FPGA作为主要的载体，设计配置一个软核的CPU——NiosII，这是一个完全运用硬件描述语言VerilogHDL实现的CPU。我们对这个CPU进行配置，添加外设限制器，完全定制一个符合我们须要的CPU。硬件设计的部分，能使我们对CPU的工作原理有更加深刻的相识，了解片上可编程系统（SOPC）的设计方法，增加了项目的可定制性、可裁剪性，也便利今后对项目的升级和再加工。其次，本项目有较多的外设须要配置、驱动，能够加深我们对各种外设的相识，更加娴熟的驱动各种外设。本项目涉及到的有高清摄像头的驱动、SD卡驱动、显示屏的驱动、按键驱动等，这些包括了摄像头数据的高速采集、显示屏的刷新显示、实时图像的采集和保存、FAT文件系统的数据存储与读取、图片的编码与解码、图片的优化处理等学问，涉及面广，每一个方面都能够充分熬炼我们的实力。再次，本项目是MCU与FPGA的有效的结合。本系统的是在一片FPGA芯片上，集成了MCU，集成了高速数据采集模块，高速的编码和解码模块，是一个不折不扣的片上系统（SoC）。利用FPGA的高速数据处理实力来处理摄像头数据采集、图片的编码与解码、图片的优化与美化，利用MCU（即NiosII）实现整个系统的限制以及外设的驱动，充分发挥各自的优势。FPGA上的模块须要通过硬件描述语言VerilogHDL实现，软件的程序是要通过C语言实现。这种设计方法是将来的趋势，是电子设计的一个重要的方向，也是我们创新的一片新的领域。最终，本项目软件设计有较多的学问点，能充分提高我们的嵌入式软件设计实力。FAT文件系统、bmp格式文件的编码解码、高速数据的采集都是很重要的编程技术，MCU的限制程序的设计也是有助于提升我们微限制器的应用实力。VerilogHDL和C语言的运用，分别涉及到硬件和软件的设计，应用面广，学问丰富，可以大大增加我们的设计实力，提升我们的设计水平。本项目的详细目标是最终基于FPGA平台上的软核处理器NiosII，能够胜利的实现摄像头的实时数据采集显示，可以实时显示照片的参数，实时照片的编码存储，实时照片的优化美化，可以实现有FAT文件系统的SD卡的读写，并可以将拍好的照片从SD卡中读取并显示到屏幕中。最终有条件的话还要进行外观设计，自制一个完整的照相机。国内外的探讨状况（800字左右，附不少于8篇参考文献）随着现代电子技术的发展，人们手中的消费类电子正朝着小型化、多功能化方向发展。例如数码相机不仅具有拍照的功能，还是具有实时图像处理的小型系统。这类系统具有自己的处理器、外设接口，甚至可以装入小型的实时操作系统。数码相机一般的解决方案是在板级的，也就是将微处理器芯片、DSP、外设接口这些独立的芯片集成在一块电路板上，体积大、功能单一、扩展性差。而现今多媒体限制系统、工业限制系统等大多向着SoC的方向发展，即将CPU、DSP、外设接口等数字逻辑集成在一块芯片内，结合软件设计，形成小型的多功能片上系统。相比以往的方案，SoC具有更强的功能，扩展性和可配置型强，功耗低。SystemonChip，简称SoC，也即片上系统。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲,，SoC是一个微小型系统，假如说中心处理器(CPU)是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。国内外学术界一般倾向将SoC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器(或片外存储限制接口)集成在单一芯片上，它通常是客户定制的，或是面对特定用途的标准产品。在多媒体限制系统领域，国内外许多大型厂商都有自己的SoC，像PHILIP公司的NexperiaPNX1500媒体处理器、德州仪器OMAP媒体处理器等。它们可以运行微实时操作系统进行实时管理，并具有片上独立的I/O和协处理单元捕获格式化的数据流以及多媒体加速算法，同时还支持动态电源管理从而降低功耗保存电能。而如今开源运动的兴起，像NiosII、OpenRisc、LEON2、MicroBlaze等处理器IP核以及大量的其他IP核的出现，使得我们可以根据自己的要求设计出须要的系统。本系统的设计方法详细采纳的是SOPC设计方法。SOPC（SystemonaProgrammableChip），即可编程片上系统。用可编程逻辑技术把整个系统放到一块硅片上，称作SOPC。可编程片上系统（SOPC）是一种特别的嵌入式系统：首先它是片上系统（SOC），即由单个芯片完成整个系统的主要逻辑功能；其次，它是可编程系统，具有敏捷的设计方式，可裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。参考文献：[1]李兰英,等.NiosII嵌入式软核SOPC设计原理及应用[M].北京:北京航空航天高校出版社,2006.9~12,29~34,111~181,187~263.[2]周润景,苏良碧,等.基于QuartusII的数字系统VerilogHDL设计实例详解[M].北京:电子工业出版社,2010.337~343.[3]郝建国,倪德克,郑燕,等.基于NiosII内核的FPGA电路系统设计[M].北京:电子工业出版社,2010.71~236.[4]Kernighan,B.W.（美），Ritchie，D.M.（美）著；徐宝文,李志译.C程序设计语言[M].第2版，北京:机械工业出版社,2004.111~130.[5]夏宇闻,等.Verilog数字系统设计教程[M].第2版，北京:北京航空航天高校出版社,2008.226~251.[6]聂章龙,张静,等.VerilogHDL与CPLD/FPGA项目开发教程[M].北京:机械工业出版社,2010.1~4.[7]陈代军.FAT32与FAT16文件系统的结构差异[J].成都信息工程学院学报，2003，18（2）：144~149.[8]邓剑.FAT文件系统原理及实现[J].计算机与数字工程，2005，33（9）：105~108.[9]李宏佳，徐晓晓，魏权利.基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统探讨与设计[J].电子设计应用，2007（7）：101~103.[10]张光明，张宗杰.浅析FAT32文件系统[J].计算机与数字工程，2005,33（1）：56~59.[11]TerasicTechnologiesInc.TerasicDE2-115UserManual，2010：7~9.[12]AlteraCorporation.QuartusIIHandbookVersion8.1Volume5:EmbeddedPeripherals.November2008.[13]AlteraCorporation.NiosIISoftwareDeveloper’sHandbook.May2008.[14]马瑞（AVIC）.NIOSII那些事儿[M].V7.0,黑金动力社区,2010.探讨方法、探讨方案及可行性（理工类项目填写技术路途和技术指标）本项目采纳SOPC（可编程片上系统）的方法，将软核处理器NiosII、高速图像采集模块、图像编码解码模块，以及相关外设的限制器，以硬件描述语言HDL代码的方式，烧录到一片FPGA芯片上，驱动摄像头、显示屏、SD卡等外设，实现完整的照相机的功能。技术指标：1、可以实时将采集到的摄像头的数据显示在显示屏上；2、可以实时拍照，并对图像进行编码，以bmp的格式存储在SD卡上；3、可以实时对拍出的图像进行常用的处理，如去除噪声、增加、复原、分割、提取特征等，并保存到SD卡上；4、可以从SD卡中读取图像文件，并显示在显示屏上，同时可以显示图像的参数；5、整个系统采纳SOPC的方案，以NiosII软核处理器为核心，基于FPGA平台。项目的特色与创新点（50字以内）采纳SOPC（片上可编程系统）技术和32位软核处理器NiosII，定制整个软硬件系统，发挥了MCU和FPGA的各自的优势。对项目的爱好所在和已有的学问积累或实践基础本项目是个SOPC的设计项目，对软硬件的全定制、FPGA和MCU的结合，都是今后电子设计的发展方向。我们比较熟识单片机、STM32等微限制器的运用方法，以及常用的模块在这些限制器下的驱动，对于NiosII的设计应当可以举一反三。我们熟识FPGA平台上HDL语言设计基本的数字模块，对于高速数据的采集、编码解码是须要进一步探究和探讨的。将MCU和FPGA上的模块整合到一起，也是一个不断完善和探究的过程。现有的资源硬件上有低容量的FPGA芯片可供我们学习；单片机、STM32的硬件开发板，也有助于我们了解微限制器的设计方法，以及如何驱动常用的外设模块；软件上，我们熟识C语言，并常常用它设计限制程序，也了解一点应将描述语言VHDL和VerilogHDL。实施安排及预期成果实施安排：1、阅读文献，确定整体功能模块的设计，确定FPGA芯片和外设的型号，构建整体设计方案。2、试验材料的购置。安排购置高容量的FPGA试验套件，以满