基于SOPC的运动视觉处理系统设计

1 引言

    随着深亚微米工艺的发展， FPGA的容量和密度不断增加，以其强大的并行乘加运算（MAC）能力和灵活的动态可重构性，被广泛应用于通信、图像等许多领域。但是在复杂算法的实现上，FPGA不如嵌入式处理器方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时，往往需要和嵌入式处理器结合使用，这就是 SOPC（System on a Programmable chip，可编程片上系统）技术。 SoPC是 SoC和 FPGA结合的产物，由单个可编程重构的芯片完成整个系统的主要功能。SoPC设计灵活多变，可以用原理图，硬件描述语言甚至是 C/C++高级语言进行设计；同时还具有可重构、可裁减、可扩充等特点，升级方便。 SoPC兼备 SoC和 FPGA二者的优点，具有如下特点：  

●丰富的 IP核资源，包括通用 IP核和专用的 IP核  

●在系统可编程，设计、编译、下载与调试简单方便  

●内置嵌入式软核处理器，存储器，外设接口控制器  

●大量可编程重构的逻辑资源  

●功能强大的时钟管理电路  

●支持多种 I/O接口标准  

    此外，由于减小了处理器和存储器之间的传输线距离，SoPC无论在速度，还是信号完整性，电磁兼容等方面，比板级系统都有明显的优越性。

2 功能框图

    在数字视频视觉采集与处理板级系统开发的基础上，本文采用 SoPC实现运动视觉处理与控制系统的设计方案。硬件采用 Altera公司 StratixII系列 FPGA，软件开发工具包括 QuartusII，NiosII5.1 IDE，DSP Builder，MegaCore IP Library5.1和 Matlab7.0等。整个 SoPC系统工作原理为：摄像头采集的视频图像数据由图像传感器接口进来；数字信号处理块和数字图像与数字视频处理 IP核完成视频图像的处理，如运动检测、分割、特征提取、压缩等； Nios II嵌入式处理器主要完成整个系统的控制功能；I2C总线用于访问 CMOS图像传感器的内部寄存器；PC机可以通过 USB接口访问 SoPC，如果距离较远的话，可以通过以太网口进行数据的传输；视频图像及其处理后的结果既可以通过外部存储器接口存放在 CF卡， FLASH等存储介质中，也可以通过 LCD显示器接口在液晶显示屏上直接显示。该运动视觉 SoPC的功能框图如图 1所示：  

    该模块主要负责视频图像的采集，摄像头参数的设置和云台步进电机的控制。其中，通过 I2C总线可以设定摄像头内部控制寄存器。在 FPGA中，实现 I2C总线控制器的途径有两种：一种是在 Nios II中用软件模拟实现；另一种是采用第三方，比如 Sciworx，CAST，Digital Core Design等公司提供的 IP核。这些 IP核具有工作参数，可以根据需要进行设定。以 CAST公司提供的 I2C总线控制器为例，传输速率最高为 100Kbps，可以工作在 4种模式下，分别是主发送器模式、主接收器模式、从发送器模式和从接收器模式。双路 CMOS图像传感器接口控制视频图像采集的时序，帧同步和行同步；云台控制信号是根据视频图像处理后的结果，控制云台的两个步进电机的转动。这两个模块需要自己开发，形成具有自主知识产权的 IP核。

3 视频图像处理模块  

    该模块包括 NiosII 32位嵌入式处理器，数字信号处理块，数字图像与数字视频处理 IP  MegaCore，以及其他一些逻辑电路，这是运动视觉处理与控制 SoPC设计的重点和核心，分别分以下几个部分介绍。  

    （1） Nios II嵌入式处理器  

    Nios II嵌入式处理器是一款通用的 RISC结构的 CPU，它定位于广泛的嵌入式应用。在 Nios II IDE集成开发环境中，按照操作提示添加、设置相关参数，在几分钟之内就能生成一个 Nios II嵌入式处理器。其硬件开发过程为：  

① 分析系统所要完成的功能、达到的性能  

② 启动 SOPC Builder，选取具体的 FPGA型号  

③ 定义 CPU，外围器件，存储系统等模块  

④ 为各个模块分配基地址和中断请求号（IRQ）  

⑤ 生成 Nios系统模块，引脚锁定，编译软件开发过程为：  

① 在 SOPC Builder中启动 Nios II IDE  

② 创建 C/C++软件工程，并指定目标硬件  

③ 利用工程模本编写相应的程序  

④ 编译后，即可下载到硬件中运行  

    Nios II IDE中可以采用 C/C++或者汇编语言进行程序的编写，其文件扩展名分别为 .c和.s。一个单独的 Nios II/f CPU大约需要占用 1800个 LEs，如果再添加一些定时器，外围器件等，那么占用的逻辑单元会进一步增加。  

    （2）数字信号处理块  

    Stratix II系列 FPGA内部具有数字信号处理块（ DSP Blocks，DSP块）。数字信号处理块可以支持不同数据宽度的乘法器（ 9×9、18×18、36×36）和操作模式（乘法运算、复数乘法运算、乘加运算和乘法累加运算），每个 DSP块提供了 2.8 GMACS的 DSP数据吞吐量。最大 Stratix II器件 EP2S180内部含有 96个数字信号处理块，能够提供了 284 GMACS的吞吐量，可以支持 384个 18×18乘法器。此外，数字信号处理块增加了新的舍入和饱和支持，便于将 DSP固件代码导入 FPGA。一些应用如话音处理，由于存放数据的存储缓冲是固定宽度，可以使用舍入和饱和。现在采用了支持舍入和饱和的数字信号处理块，可以很方便地将基于 DSP处理器的设计导入到 FPGA中进行实现。  

     在 Altera的可编程器件上进行 DSP系统设计，需要有同时支持高级的算法和硬件描述语言的开发工具。MathWorks的 MATLAB和 Simulink系统级的设计工具具备了算法开发、仿真、验证能力。Altera的 DSP Builder将这些工具与 Altera的开发工具组合在一起，提供了一个系统设计、算法设计和硬件设计共享的 DSP开发平台。  

   （3）视频图像处理

     IP核第三方提供有许多应用于通信、图像编解码、视频处理的可定制 IP核。合理地利用这些 IP核，在保证性能与可靠性的同时，可以大大缩短开发时间。下面介绍的是色彩空间转换 IP。  

    CSC（Color Space Convertorr）是 Altera公司提供的 MegaCore IP库文件中的一个专门用于图像色彩空间转换的 IP核，与软件转换相比，其具有明显的速度优势和灵活性：  

● 每个时钟周期完成一个像素点的转换  

● 在 Stratix系列 FPGA中，时钟频率大于 200MHz  

● 支持 RGB和 YCbCr、YUV之间的互换  

● 用户可以自定义转换矩阵的相关系数  

● 支持有符号数和无符号数  

    输入输出的数据宽度为 2～32b

4 RAM数据缓冲区

    Stratix II系列 FPGA最多包含有 9Mb的片上 RAM。这些 RAM采用 TriMatrix存储结构，包括三种大小的嵌入式存储器块，分别为： 512b的M512块，4Kb的M4K块和512Kb的M-RAM块，每个都可以配置支持各种特性，如单端口 RAM，双端口 RAM，FIFO等，为大存储量应用提供解决方案。

5 外部存储器和外设接口  

    Stratix II系列 FPGA为外部存储器的可靠数据传送而进行了优化设计，支持最新的存储接口访问片外存储器。开发人员使用 Stratix II先进的器件特性和可定制的 IP核，能够快速和方便地将各种大容量存储器件集成到复杂的系统设计中。Stratix II支持各种最新的存储接口。Stratix II系列 FPGA片内处理器与外设之间是通过 Avalon交换式总线连接的。 Avalon交换式总线是 Altera开发的一种专用内部连线技术，使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定等。外设接口可定制的 IP核有 USB、I2C、Ethernet、PCI等控制器，这些 IP核大多是由第三方提供的，可以免费试用，也可支付部分费用购买。本系统采用的 USB2.0控制器和以太网接口控制器均由 Mentor公司提供。

6 时钟管理电路  

    Stratix II系列 FPGA具有多达 48个高性能的低偏移全局时钟，它可以用于高性能功能或全局控制信号；多达 12个可编程锁相环（ PLL），具有完备的时钟管理和频率合成能力，包括时钟切换、PLL重配置、扩频时钟、频率综合、可编程相位偏移、可编程延迟偏移、外部反馈和可编程带宽。Stratix II有两类通用的 PLL：增强型 PLL和快速型 PLL。增强型 PLL功能丰富，支持外部反馈、扩频时钟、可编程带宽等；快速型 PLL针对高速差分 I/O接口进行了优化，具有动态相位调整（ DPA）功能。这些高速时钟网络和丰富的 PLL结合起来，为系统在最小的时钟偏移下工作提供有力的保证。  

7 SoPC的其他组成部分

    FPGA配置接口用于 SoPC的配置、编译和在线调试； LCD显示接口可以外接液晶显示屏；报警信号是在检测和识别出运动目标时，发出的声音或光电信号，可用于安防；标准I/O口则是预留的，用于日后的升级扩展。  

    创新点：SoPC概念提出以前，电子系统的集成设计主要以板级为主，这种设计方法随着系统时钟频率的不断提高和电路功能的日趋复杂，实现的难度越来越大，电磁干扰和信号完整性问题日益突出。仅靠优化 PCB的布局和布线，已经不能满足高速信号的传输和处理要求。随着半导体工业的不断发展，可编程片上系统以其较高的性能、可靠性，较低的功耗、成本和良好的便携性将成为未来电子产品开发设计的主流。而运动视觉 SoPC更好地解决了板级电路的一系列问题，并可广泛应用于安防监控、视觉导航、智能交通等众多领域，必定会有良好的市场前景。