SoPC技術(shù)在圖像采集和處理系統中的應用設計

2 系統軟件設計
系統軟件部分包括實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II和數據采集與處理部分的應用程序。在Nios II IDE中將軟件開(kāi)發(fā)分為兩大部分，一部分是底層系統軟件的開(kāi)發(fā)，主要完成BSP（板級支持包）的功能；另一部分則是用戶(hù)應用軟件的開(kāi)發(fā)（包括用戶(hù)硬件驅動(dòng)及用戶(hù)上層應用軟件）。整個(gè)用戶(hù)軟件的開(kāi)發(fā)及調試工作都可以在Nios II IDE中完成。
2.1 實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II在Nios上的移植
在本課題中使用的是μC/OS-II的v2.83版本，源碼可以從Micrium的網(wǎng)站上獲得。同時(shí)還要從網(wǎng)站上獲得μC/OS-II在EDK中使用的配置文件μCOS-II_v2_1_0.mld和μCOS-II_v2_1_0.tcl。將這兩個(gè)文件放到EDK能找到的路徑下，這樣在EDK中才能配置使用μC/OS-II。在EDK中通過(guò)菜單Software->Software Platform Settings打開(kāi)配置窗口，在OS中選擇μC/OS-II，OS Version中選擇 v2.83a，然后進(jìn)入OS Library對μC/OS-II進(jìn)行配置。
在Nios II IDE中，可以對μC/OS-II的源碼位置、BSP包源碼位置、移植程序文件位置、應用程序文件位置進(jìn)行修改，同時(shí)還可對μC/OS-II進(jìn)行剪裁配置，如是否使用事件、互斥信號量、消息郵箱及任務(wù)是否可刪除等。
2.2 實(shí)時(shí)操作系統下的軟件設計
μC/OS-II在A(yíng)LTERA的Nios微處理器上移植并測試完成后，建立了基于μC/OS-II實(shí)時(shí)多任務(wù)內核的硬件開(kāi)發(fā)平臺，但μC/OS-II僅是一個(gè)有源碼的內核，在實(shí)際應用中，對外設的操作需要自行編寫(xiě)底層的代碼。在此平臺下進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，實(shí)現數據采集功能，需要建立相關(guān)的應用程序，也就是要根據整個(gè)系統的要求，劃分不同的任務(wù)，這些任務(wù)交由實(shí)時(shí)內核來(lái)調度管理。一般一個(gè)任務(wù)對應于一段獨立的主程序，它可能調用各種子程序，并使用各種系統資源，以完成某種特定的功能，并且實(shí)時(shí)內核允許多個(gè)任務(wù)并行運行。采用實(shí)時(shí)操作系統，使應用程序的編寫(xiě)簡(jiǎn)單且易于調試。
主程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，其主要程序如下：
void main()
{sys_initialize()；//系統初始化
while(1)
{ad_fft_ctl()；//數據采集及FFT計算子程序
case collection_order： //圖像采集命令
image_collection()；//圖像采集
image_process()；//圖像處理
image_save()；//圖像保存
mps_decoder()；//調用相應的解碼算法
case rs232_transfer：//傳輸數據命令
lcd_display(p1，p2，p3)；//LCD液晶顯示子程序
}
}
3 系統調試與應用實(shí)例
調試包括硬件和軟件調試。硬件調試分析電路的設計合理性及焊接工藝的可靠性，以保證所設計的各個(gè)模塊合理，重點(diǎn)放在調試自己所設計的IP核和硬件邏輯的可靠性與適用性。軟件調試主要是集中在系統內核的應用程序，以保證各個(gè)功能都成功實(shí)現。這是一個(gè)相當復雜的過(guò)程。
3.1 系統硬件調試
為了驗證FPGA能否正常工作，把CMOS圖像傳感器的輸出連接到Nios II開(kāi)發(fā)板的擴展插座上，編寫(xiě)VHDL程序，讀取CMOS圖像傳感器的輸出并存儲到FPGA的內部RAM中，利用Quartus II的工具In-System Memory Content Editor，讀取內部RAM的值。
要設計用戶(hù)邏輯或者外設，除了要編寫(xiě)實(shí)現特定功能的邏輯之外，還要編寫(xiě)與Avalon總線(xiàn)的接口，這就要求對Avalon總線(xiàn)的規范很熟悉。測試結果表明，程序能夠通過(guò)JTAG接口成功下載到FPGA上，顯示在LCD上的運行結果也正確。這說(shuō)明FPGA、JTAG接口、電源、晶振和LCD顯示等電路均能正常工作。
3.2 系統軟件調試
Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開(kāi)發(fā)工具，所有的開(kāi)發(fā)任務(wù)都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯、編譯、調試程序和下載。系統的軟件設計和調試全部在Nios II IDE下完成，使用C/C++語(yǔ)言編程。
3.3 系統應用實(shí)例――PDF417二維條碼的識別
二維條碼掃描器開(kāi)始工作時(shí)，首先采集二維條碼圖像數據，由于實(shí)際工作中條碼圖像會(huì )出現污損等情況，對碼字的正確譯出造成影響，所以必須對采集到的圖像進(jìn)行降噪、校正等預處理。條碼圖像為灰度圖像，對其進(jìn)行二值化才能進(jìn)行碼字識別。在將PDF417碼的所有碼字正確分割后，以查表方式在碼本中查找與碼字相對應的值，將編碼數據譯出。為確認掃描的有效性，必須進(jìn)行前向錯誤校驗。如出錯，則進(jìn)行糾錯。最后，將譯碼的正確數據傳輸到上位計算機或LCD顯示。識別過(guò)程如圖5所示。

二維條碼數據全部識別完以后，Nois控制輸出一個(gè)中斷申請信號，開(kāi)始執行中斷服務(wù)程序。首先選定數據傳輸口地址，然后譯碼結果可通過(guò)RS-232接口被送至計算機，計算機接收該譯碼數據后，中斷結束。重復該過(guò)程，直至全部譯碼結果輸出結束。整個(gè)軟件處理過(guò)程控制在0.3 s以?xún)?，完全可以滿(mǎn)足系統實(shí)時(shí)性要求。
本文對基于FPGA以及Nios的圖像采集與處理系統設計進(jìn)行了深入研究，并在設計完成硬件實(shí)驗平臺的基礎之上，完成了嵌入式操作系統的移植及應用程序的設計。系統采用Nios處理器和FPGA，必要的外圍電路和處理器能集中在一塊芯片上，減少了系統體積，簡(jiǎn)化了系統規模，同時(shí)可以方便地進(jìn)行擴展和升級。μC/OS-II操作系統移植到Nios處理器上，提高了系統的運行效率和可靠性。嵌入式圖像處理系統作為一種新型的智能化視覺(jué)系統，以其種種優(yōu)點(diǎn)使之具有廣闊的應用前景和良好的經(jīng)濟價(jià)值。研究與推廣嵌入式圖像處理系統無(wú)疑是科技進(jìn)步的表現，尤其當嵌入式圖像處理系統應用于工業(yè)生產(chǎn)上時(shí)，必能提高生產(chǎn)效率，推動(dòng)生產(chǎn)力的發(fā)展。