基于FPGA的嵌入式圖像監控系統設計

目前，圖像監控系統大多采用PC和視頻采集卡作為系統主要部分，基于嵌入式技術(shù)的圖像監控系統設備在我國還只是起步階段，沒(méi)有成熟的產(chǎn)品應用。這一現狀的根本原因就是我國在開(kāi)發(fā)這類(lèi)產(chǎn)品時(shí)，沒(méi)有統一的開(kāi)發(fā)標準和共用的開(kāi)發(fā)平臺，而且沒(méi)有可靠的功能和性能測試標準，各個(gè)企業(yè)的開(kāi)發(fā)技術(shù)力量分散，極大的影響了該類(lèi)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的效率和可靠性。而制造出來(lái)的產(chǎn)品同國外同類(lèi)產(chǎn)品相比，功能相差太大，沒(méi)有競爭力，市場(chǎng)基本上被國外公司所占領(lǐng)。因此，開(kāi)發(fā)一個(gè)該類(lèi)嵌入式系統勢在必行。

系統總體方案

為了實(shí)現自動(dòng)圖像報警和圖像采集，本文設計了動(dòng)體檢測算法，這是因為絕大多數情況下我們只對監控區域中運動(dòng)的物體感興趣，這樣可以過(guò)濾掉只包含靜態(tài)背景的圖像，從而降低了對有限的嵌入式硬件資源的消耗。由于活動(dòng)物體大多是人，而且這也是圖像監控的目標，為此加入了人體信號探測器，用以輔助動(dòng)體檢測，以達到降低圖像報警誤報率的目的。本系統主要集成了圖像采集、控制和存儲等器件或芯片，組成了以FPGA為控制核心的實(shí)時(shí)圖像監控系統。系統的總體方案如圖1所示。

圖1 圖像監控系統結構圖

系統工作流程為：系統上電后，FPGA從外部EEPROM自動(dòng)加載程序，I2C模塊對CIS進(jìn)行初始化工作參數配置。CIS向FPGA輸入圖像數據信號，FPGA將采集的原始數據(RAW)轉換成RGB格式，幀緩沖模塊(Frame Buffer)每次將相鄰兩幀圖像數據寫(xiě)入SDRAM，然后比較這兩幀圖像的差值，如果差值大于設定的閾值，并且人體探測器輸出高電平，就認為檢測到了外界場(chǎng)景的運動(dòng)，系統會(huì )自動(dòng)將捕獲的圖像輸出到SD卡進(jìn)行存儲。圖2給出了系統的工作流程。

圖2 系統工作流程圖

圖3 電源電路原理圖

系統硬件設計與實(shí)現

圖像監控系統處理的數據量較大，同時(shí)還要滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，因此板載電路需要選用容量較大，速度較快的器件。本系統采集的一幀圖像分辨率大小為640×480，色深是24位，檢測時(shí)需要在SDRAM緩存兩幀，因此SDRAM的容量必須大于1.8M字節(640×480×3×2=1843200字節)，由于每個(gè)像素位寬為24位，同時(shí)NIOS是32位的處理器，所以SDRAM的位寬最好是32位。外部提供給FPGA的晶振頻率必須大于CIS的像素時(shí)鐘25MHz?？紤]到檢測算法需要較多的邏輯資源，因此FPGA的片內LE要很豐富，另外FPGA的管腳必須要滿(mǎn)足外部器件連接的要求，在本系統中要實(shí)現所有器件的I/O口相連，FPGA的I/O管腳必須大于150個(gè)。由于電路原理圖較多，這里只給出其中的一部分。

主控制芯片電路

本系統選用的Cyclone系列FPGA器件的具體型號是EPlCl2Q240C8。邏輯資源達12060個(gè)邏輯單元(LE，Logic Elements)，片內RAM的容量為239616bits。完全可以滿(mǎn)足圖像采集的設計要求。其內核供電采用1.5V、0.13um工藝，功耗較低。Cyclone器件支持各種單端I/O接口標準，如3.3V、2.5V、1.8V、LVTTL、LVCMOS、SSTL。Cyclone器件具有兩個(gè)可編程鎖相環(huán)(PLL)和八個(gè)全局時(shí)鐘線(xiàn)，提供健全的時(shí)鐘管理和頻率合成功能，實(shí)現最大的系統性能。Cyclone器件具有高級外部存儲器接口，允許設計者將外部單數據率(SDR)SDRAM，雙數據率(DDR)、SDRAM和DDR FCRAM器件集成到復雜系統設計中，而不會(huì )降低數據訪(fǎng)問(wèn)的性能。Cyclone系列FPGA器件基于一種全新的低成本架構，從設計之初就充分考慮了成本的節省，因此可以為價(jià)格敏感的應用提供全新的可編程的解決方案。

電源電路

一般而言，FPGA器件出于芯片設計、多電平接口的需要，電源都分為兩組：VCCINT和VCCIO，即內核電源和I/O電源，隨著(zhù)芯片內部連線(xiàn)尺度的逐漸減小，核心電源電壓和接口電壓也越來(lái)越低。本設計中EPlCl2器件的VCCINT為1.5V，VCCIO為3.3V。目前總的來(lái)說(shuō)有三種電源解決方案，分別是線(xiàn)性穩壓器電源(LDO)、開(kāi)關(guān)穩壓器電源和電源模塊。

LDO線(xiàn)性穩壓器適用于降壓變換，具體效果與輸入/輸出電壓比有關(guān)。從基本原理來(lái)說(shuō)，LDO根據負載電阻的變化情況來(lái)調節自身的內電阻，從而保證穩壓輸出端的電壓不變。其變換效率可以簡(jiǎn)單地看作輸出與輸入電壓之比。

由于采用線(xiàn)性調節原理，LDO本質(zhì)上沒(méi)有輸出紋波。與LDO相比，DC/DC調整器輸出紋波電壓較大、瞬時(shí)恢復時(shí)間較慢、容易產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。系統電源輸入電壓為5V，3.3V電壓供電部分采用了ASl084；此外，對于FPGA的PLL工作需要的1.5V電源部分，采用AMS1117-1.5 LDO來(lái)實(shí)現。

由于A(yíng)ltera的PLL是模擬電路實(shí)現的，其對電源噪聲比較敏感，所以在設計PCB的時(shí)候，對給PU的供電部分要做一些特殊的處理。即使在設計中沒(méi)有用到PLL也必須給其供電。

本系統中選用的EPlCl2F400C8芯片的輸入輸出接口電壓為3.3V，內核電壓降低到1.5V，這樣可以降低功耗，有利于系統的穩定，但也給電源供電和其它芯片的選擇帶來(lái)了麻煩，系統中其它芯片的接口電壓必須為3.3V，至少也要兼容3.3V，電源設計中需要考慮的主要問(wèn)題是功率是否滿(mǎn)足的問(wèn)題。

SD卡接口電路

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2GB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。如圖4所示，SPI的兩個(gè)數據線(xiàn)DAT0、CMD分別接上拉電阻，這是為了使本電路可以與MMC卡的接口兼容?？ǖ墓╇姴捎每煽胤绞?，這是為了防止SD/MMC卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可以通過(guò)對卡重新上電使卡復位而無(wú)需拔出卡?？煽仉娐凡捎肞型MOS管，由FPGA的GPIO口SDPC進(jìn)行控制，當SDPC輸出高電平時(shí)，MOS管關(guān)斷，不給卡供電；當SDPC輸出低電平時(shí)，MOS管開(kāi)通，VCC3V3電源給卡供電?？紤]管子開(kāi)通時(shí)，漏極與源極之間的壓降要足夠小(保證SD/MMC卡的工作電壓在允許范圍內)，管子允許通過(guò)的電流也要滿(mǎn)足卡的要求，一般一張SD/MMC卡工作時(shí)的最大電流通常為45mA左右，所以選用的MOS管要允許通過(guò)100mA左右的電流。采用2SJ355的目的是當它開(kāi)通時(shí)，管子上的壓降比較小。

圖4 SD卡電路原理圖

圖5 圖像傳感器電路原理圖

卡檢測電路包括兩部分：卡是否完全插入到卡座中和卡是否寫(xiě)保護。檢測信號由卡座的兩個(gè)引腳以電平的方式輸出。當卡插入到卡座并插入到位時(shí)，SDIN(第10腳)由于卡座內部觸點(diǎn)連接到GND，輸出低電平；當卡拔出時(shí)，該引腳由于上拉電阻R2的存在而輸出高電平，該輸出由FPGA的輸入引腳來(lái)檢測?？ㄊ欠駥?xiě)保護的檢測與卡是否完全插入到卡座中的檢測原理是一樣的。

圖像傳感器電路

圖像的輸入端的采集模塊是CMOS圖像傳感器，與CCD傳感器相比，CMOS傳感器不僅成本遠低于CCD產(chǎn)品。而且CMOS傳感器可輕松實(shí)現較高的集成度(比如CMOS被廣泛用于拍攝手機的微型攝像頭)，另外CMOS傳感器擁有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。本系統圖像采集用于監控領(lǐng)域，對于圖像的質(zhì)量要求不是非常高，而對傳感器的功耗要求必須很低，而且可以直接輸出系統需要的數據格式，因此本系統的圖像采集部分選用了CMOS圖像傳感器。

在本設計中采用美光科技公司的MT9M011型號CMOS圖像傳感器，MT9M011是一塊SXGA(super extended graphics array，超大擴展圖像陣列)制式的1/3英寸主動(dòng)式數字圖像傳感器，其有效圖像序列范圍為1280×1024，結合了眾多數碼照相機具有的功能如開(kāi)窗取景、行列跳躍、快照模式等等，可以通過(guò)一個(gè)兩線(xiàn)的串口來(lái)實(shí)現可編程操作，并且具有功耗低的特點(diǎn)。片載A／D轉換器將提供每像素I/O位的輸出精度，幀有效和行有效信號將在特定的引腳上輸出，并且還配有像素時(shí)鐘同步響應的有效數據。

NiOS系統軟件設計及實(shí)現

本系統的軟件設計是以C語(yǔ)言形式在利用Altera公司的軟件集成開(kāi)發(fā)工具IDE所提供的硬件配置模塊(HAL)的函數支持下來(lái)完成編寫(xiě)的。系統啟動(dòng)后，進(jìn)行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO緩沖器等。隨后系統進(jìn)入主循環(huán)狀態(tài)，并檢測按鍵。當檢測到DETECT時(shí)，啟動(dòng)FIFO控制接口開(kāi)始保存數據，當檢測到data_avaible有效時(shí)，啟動(dòng)一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到檢測到SAVE_DONE為止，就實(shí)現了圖像數據的采集功能。

UART傳輸程序設計

uart傳輸程序主要是將圖像數據傳輸到電腦進(jìn)行顯示，用于調試。在PC端，通過(guò)串口接收工具和Matlab將圖像顯示出來(lái)。Nios II系統中，可以通過(guò)ANSI C文件操作的標準庫函數來(lái)執行UART傳輸(uart 0)，即將UART作為文件來(lái)處理。執行過(guò)程為：打開(kāi)外設UART并獲得外設旬柄——fopen()；向外寫(xiě)入數據——fWrite()；關(guān)閉外設——fclose()。

SD存儲卡的程序設計

SD卡程序設計包括驅動(dòng)程序和文件系統兩部分設計。兩部分通過(guò)文件系統的接口函數相連接。驅動(dòng)程序包括硬件配置模塊和命令應用模塊。硬件配置模塊包括訪(fǎng)問(wèn)SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實(shí)現通訊的基本函數、內存變量初始化以及SPI中斷的處理。命令應用模塊提供訪(fǎng)問(wèn)SD卡的讀數據函數和寫(xiě)數據函數。

結論

本文主要完成了嵌入式圖像監控系統的設計，該系統克服了模擬圖像監控技術(shù)具有的弊端，在普通家庭、臨時(shí)性作業(yè)場(chǎng)所中具有很強的應用前景。這些領(lǐng)域一般對視頻傳輸指標的要求不一定很高，但要求便于攜帶，同時(shí)功耗較小(例如臨時(shí)性場(chǎng)合等)，具有體積小、功耗低、成本低、速度快、穩定性好等特點(diǎn)，可以有效地克服傳統的基于計算機的監控系統的缺點(diǎn)。系統可做為一個(gè)智能部件“嵌入”到各種應用系統中，如將其配上網(wǎng)絡(luò )接口接上計算機系統，即可構成一個(gè)監控網(wǎng)絡(luò )系統，是一種相對獨立的OEM部件。