基于SOPC技術(shù)的數(shù)字圖像處理設(shè)計(jì)

摘 要本課題研究的內(nèi)容是在現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）平臺(tái)中，基于32位軟核處理器 NIOS II，通過CMOS攝像頭采集數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)在VGA顯示終端上實(shí)現(xiàn)圖像實(shí)時(shí)采集、顯示、變換、拍照存儲(chǔ)等功能。利用FPGA的高速數(shù)據(jù)處理能力，對(duì)拍照的圖片實(shí)時(shí)的采集、處理、變換；NIOS II作為微控制器，對(duì)于采集的數(shù)據(jù)以bmp格式保存到具有FAT32文件系統(tǒng)的SD卡上。本設(shè)計(jì)中NIOS II軟核處理器是以軟核的形式嵌入到FPGA中，實(shí)現(xiàn)了SOPC技術(shù)（片上可編程系統(tǒng)），在單片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)了整個(gè)硬件算法和微控制器的控制過程。

【關(guān)鍵詞】SOPC技術(shù) 數(shù)字圖像處理

本課題是MCU與FPGA的有效的結(jié)合。本系統(tǒng)的是在一片F(xiàn)PGA芯片上，集成了軟核NIOS II微控制器模塊，集成了高速數(shù)據(jù)采集顯示模塊，高速的圖像處理模塊，是一個(gè)不折不扣的片上可編程系統(tǒng)（SOPC）。利用FPGA的高速數(shù)據(jù)處理能力來處理攝像頭數(shù)據(jù)采集、圖像的變換，利用嵌入式MCU（即軟核NIOS II）實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的控制以及外設(shè)的驅(qū)動(dòng)，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

在Altera公司的FPGA芯片中嵌入NIOS II軟核，作為系統(tǒng)的控制中樞。NIOS II是著名半導(dǎo)體廠商Altera公司設(shè)計(jì)的以硬件描述語言HDL形式提供的32位微處理器IP核，可以自由定制內(nèi)核、外設(shè)控制器，可以和HDL語言編寫的數(shù)字模塊一起，燒錄在一片F(xiàn)PGA芯片上，實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)（SoC）。攝像頭信號(hào)的采集、圖像的分析處理直接通過VerilogHDL編寫的硬件模塊實(shí)現(xiàn)，充分利用了FPGA芯片高速的并行處理能力。

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 NIOS II CPU模塊設(shè)計(jì)

NIOS II CPU模塊是在Quartus II中利用SOPC Builder設(shè)計(jì)工具來設(shè)計(jì)，主要是添加了NIOS II軟核處理器的內(nèi)核，數(shù)據(jù)讀取IP核以及一些外設(shè)控制器。

2.2 CMOS攝像頭捕獲模塊設(shè)計(jì)

CMOS攝像頭捕獲模塊是通過VerilogHDL語言編寫，主要完成行、場同步以及水平和垂直的計(jì)數(shù)。模塊的輸入接口是對(duì)應(yīng)的攝像頭的硬件接口，輸出接口是對(duì)應(yīng)到圖像變換模塊的輸入接口。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中，CMOS的圖像數(shù)據(jù)是要經(jīng)過變換之后，才存儲(chǔ)到SDRAM之中的，也是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。

2.3 圖像變換模塊

由于時(shí)間限制和項(xiàng)目規(guī)劃，本項(xiàng)目只設(shè)計(jì)了灰度變換和去色變換，執(zhí)行效果明顯，變換后的圖像實(shí)時(shí)顯示在VGA顯示器上，沒有任何延遲和卡頓。此模塊的適當(dāng)開發(fā)，有助于提升項(xiàng)目的應(yīng)用價(jià)值和擴(kuò)展功能。iswitch端口為變換模式切換信號(hào)，可以實(shí)時(shí)改變變換的模式。

2.4 四端口SDRAM控制器模塊

本模塊設(shè)計(jì)了2個(gè)數(shù)據(jù)寫入端和2個(gè)數(shù)據(jù)讀取端，采用VerilogHDL語言編寫，實(shí)現(xiàn)的功能是將外部SDRAM作為硬件FIFO存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

2.5 NIOS II控制部分軟件設(shè)計(jì)

NIOS II作為32位CPU內(nèi)核，在本設(shè)計(jì)中是控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分。軟件設(shè)計(jì)是在NIOS II Software Build Tools for Eclipse中設(shè)計(jì)完成的

3 系統(tǒng)的實(shí)物圖和功能測試

如圖2所示。

4 總結(jié)

FPGA平臺(tái)下，SOPC的設(shè)計(jì)方法在推廣上，還有不少的難度，還有不少的工作要做。希望我們的工作僅僅是一個(gè)開端，起到拋磚引玉的作用，希望有越來越多的好的設(shè)計(jì)出現(xiàn)。

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作者簡介

李寶平（1984-），男，安徽省蕪湖市人。現(xiàn)為南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院講師，主要從事SOCP嵌入式系統(tǒng)研究。

作者單位

南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇省南京市 211100