基于SoPC的自感知運動(dòng)圖像采集系統設計
加入技術(shù)交流群
(1)接口電路模塊。在各種存儲設備中，SD卡不僅小巧，而且功耗很低，另外市面上常見(jiàn)SD卡的容量可達到2 GB以上，因此非常適合用于對體積和功耗要求嚴格的嵌入式圖像存儲。該設計選用APACER公司的一款高速SD卡(傳輸速率為150X，容量4 GB)。為了增強系統的可擴展性，該設計在FPGA芯片中嵌入Altera公司新近推出的第二代高性能NiosⅡ軟核處理器，其處理能力超過(guò)200 MIPS，并在NiosⅡ中完成SD卡驅動(dòng)程序設計。前端的采集緩存電路與NiosⅡ系統之間的數據和控制信號由定制的接口模塊完成。
定制IP核DATAIN_FIFO是在SoPC Builder環(huán)境下完成(如圖7所示)，DATAIN_FIFO寫(xiě)端口的時(shí)鐘信號、寫(xiě)請求信號同步于SDRAM控制模塊的ReadFIFO1，而DATAIN_FIFO的讀端口的時(shí)鐘、讀請求信號則由CPU控制。以上信號除了waitrequest之外，都由Avalon交換結構自動(dòng)產(chǎn)生和控制。waitrequest信號可以直接連接到異步FIFO的rdempty輸出，當FIFO讀空之后，waitrequest有效，插入等待周期，一直到從端口的數據準備好才輸出readdata。開(kāi)始和結束采集控制信號由DETEcT信號和DMA中斷信號決定，確保采集到的數據剛好為一幀320×240圖像。
由于NiosⅡ系統提供了成熟的SPI接口，所以設計中采用SPI總線(xiàn)協(xié)議模式來(lái)讀寫(xiě)SD卡。因為MMC卡在復位階段要求SPI的時(shí)鐘頻率要小于等于400 kHz，為了提高讀寫(xiě)速度，本設計設計的接口不再兼容MMC卡，其設置SPI的SCK引腳的輸出頻率在數據傳輸時(shí)設為25 MHz。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/152285.htm
(2)BMP圖像文件創(chuàng )建程序。為提高程序運行速度。并考慮到該系統的實(shí)際需要，程序只實(shí)現了寫(xiě)BMP圖像文件功能。程序主要由SD卡操作驅動(dòng)接口函數和文件系統層組成。
驅動(dòng)函數目的是為文件系統層提供所需的SD卡初始化函數和SD卡寫(xiě)多塊數據函數。圖8是SD卡寫(xiě)函數流程圖示意圖。當寫(xiě)函數接收到主程序的寫(xiě)文件指令后，就向SD卡發(fā)送多塊寫(xiě)命令，卡將發(fā)送給主機一個(gè)應答令牌，并且等待主機發(fā)送一個(gè)發(fā)送數據塊來(lái)，當應答R1為0時(shí)，說(shuō)明可以發(fā)送數據，塊大小設置為512 B。數據塊之后附有16位的CRC校驗，因為CRC校驗計算占用了很大部分發(fā)送的時(shí)間，該系統采用自定義用戶(hù)指令對這部分進(jìn)行了加速處理。
要使寫(xiě)入SD卡的數據在裝有Windows或Linux操作系統的上位機中得到正確訪(fǎng)問(wèn)，需要在SD卡上創(chuàng )建它們支持的文件系統?？紤]到FAT12目前已經(jīng)很少使用，在此設計的文件系統只支持FAT16和FAT32。并且將整個(gè)卡作為一個(gè)分區處理。
圖9是系統的軟件工作主要流程圖。在主程序中，系統啟動(dòng)后，先進(jìn)行初始化操作，包括中斷初始化、文件系統初始化和SD卡底層驅動(dòng)的初始化。隨后系統進(jìn)入主循環(huán)等待狀態(tài)，一旦檢測到DETECT_PIO電平的變化就暫停SDRAM數據寫(xiě)入，以防SDRAM緩存的圖像數據被覆蓋，同時(shí)根據當前的時(shí)間創(chuàng )建一個(gè)BMP格式的文件，然后往里填寫(xiě)文件頭和文件信息頭，隨后連續寫(xiě)一幀RGB數據。文件創(chuàng )建完畢后系統繼續處于檢測等待狀態(tài)，并恢復SDRAM數據寫(xiě)入。
5 系統評價(jià)
該設計在自制核心實(shí)驗板上(見(jiàn)圖10)進(jìn)行了軟、硬件仿真和調試，調試環(huán)境參數設定如下：采集時(shí)鐘頻率為25 MHz，NiosⅡ時(shí)鐘頻率為100 MHz、每幀圖像大小為320×240像素。調試結果如下：系統采集速度在60幀／s左右。對五米之內場(chǎng)景動(dòng)態(tài)變化的響應時(shí)間在5 ms左右，SD卡保存單幀圖像時(shí)間約為9 s(每幀圖像數據量是153 600 B)，連續工作一個(gè)星期無(wú)任何故障發(fā)生。結果表明該系統圖像采集和處理速度超過(guò)一般的以軟件實(shí)現為主的嵌入式圖像采集方案(如ARM處理器系統)。由于核心處理器采用單芯片方案，采集系統比較穩定，同時(shí)其功耗大大低于多芯片方案。
6 結 語(yǔ)
在此提出一種基于SoPC技術(shù)的圖像檢測、采集和儲存的一體化單芯片控制新型系統集成方案，并實(shí)現了原型系統，該系統的主要特點(diǎn)是處理速度快、功耗低、穩定可靠。
該設計可以在進(jìn)一步工作中移植嵌入式操作系統μCLinux，以實(shí)現復雜的多任務(wù)操作。因此該設計既可作為獨立的解決方案應用于便攜式原位觀(guān)測系統中，同時(shí)以其良好的擴展性，也可作為一個(gè)子系統應用于大型圖像處理系統的前端部分。
評論