使用FPGA的圖像傳感器的優(yōu)勢

圖像采集是安全和監(jiān)控視頻鏈中最關(guān)鍵的部分，這是因為對于從視頻流提取有效信息的圖像信號處理能力是與獲取的圖像質(zhì)量密切相關(guān)的，或許看似深奧，其實本質(zhì)上是傳感器質(zhì)量和傳感器輸出處理質(zhì)量的組合。安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是圖像處理功能向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移-即移到攝像機里面， 靠近傳感器。　?

靈活性和效率是產(chǎn)品開發(fā)周期中的最高目標。本文探討了在FPGA內(nèi)針對CMOS圖像傳感器的微控制器和信號處理單元的整合。就其性質(zhì)而言，F(xiàn)PGA和微控制器相當(dāng)靈活，但問題是使用這些器件是否會形成一個有效率的設(shè)計？ 　

一般而言，一個簡單的規(guī)則是用FPGA取代標準的微控制器不能夠產(chǎn)生一個節(jié)約成本的替代方案。只有不能通過在微控制器內(nèi)集成外設(shè)來滿足設(shè)計的邊界條件情況下，F(xiàn)PGA的解決方案才變得更加具有吸引力，例如PWM通道的數(shù)量，計數(shù)器/定時器或I/O端口的數(shù)量。?

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同樣，DSP算法轉(zhuǎn)移至FPGA可顯著提升數(shù)據(jù)吞吐量和控制功能的執(zhí)行速度。然而，可能會有一些靈活性方面的損失。不過，通常DSP開發(fā)人員可以利用FPGA的優(yōu)勢，因為這些功能可以用VHDL或Verilog HDL來描述并直接用硬件實現(xiàn)。即使一些模塊是預(yù)制的IP模塊，這個任務(wù)仍然是集成這些模塊到一個完整的設(shè)計之中。?

Helion是一家致力于利用FPGA和DSP從事圖像信號處理領(lǐng)域開發(fā)的公司。他們的核心知識在于驅(qū)動和接口至CMOS圖像傳感器，動態(tài)擴展和進行信號預(yù)處理到TFT的領(lǐng)域。使用Helion系統(tǒng)意味著決定圖像質(zhì)量的很多功能可以直接在攝像機中實現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，這些解決方案基于DSP，F(xiàn)PGA或兩者兼而有之。 ?

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Helion已經(jīng)選擇了萊迪思半導(dǎo)體公司的低成本系列FPGA技術(shù)。LatticeXP2和MachXO是非易失器件，單芯片解決方案特別適用于緊湊的攝像機設(shè)計。由于LatticeXP2包括RAM塊和DSP模塊，可實現(xiàn)最佳圖像處理計算。如果只需要一個簡單的傳感器和控制功能，MachXO是最節(jié)省成本的解決方案。萊迪思還有SRAM FPGA系列，LatticeECP2、ECP2M和ECP3。這些器件中還包括DSP塊，以及1.5MBit至 5.3MBit內(nèi)部存儲器的“M”類型?！?

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Helion的大多數(shù)項目也使用了32位微控制器－LatticeMico32，它是免費提供的，采用開發(fā)環(huán)境為開放源代碼許可證模式。這種軟核的主要特點是使關(guān)鍵控制路徑的時間更少，通過FPGA的數(shù)據(jù)是直接通過獨立的布線資源?！?

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用Mico System-Builder (MSB)軟件構(gòu)建該項目的特殊Mico32配置，裝配各種可用元件，包括用戶的特定IP模塊。對于這些IP模塊和用戶特殊的外設(shè)的互連，Mico32 使用按照Wishbone規(guī)范操作的總線接口。 MSB自動互連設(shè)計的內(nèi)部元件，當(dāng)所需的IP塊都在MSB內(nèi)時，無需編寫VHDL或Verilog HDL就能完成FPGA設(shè)計?！?

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?????????? 圖1 Mico System-Builder屏幕?

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一個簡單的例子可以說明基于Mico32方法的優(yōu)勢。對于圖片位置的控制，通過I2C總線用外部微處理器給FPGA中的顯示控制器規(guī)定路線?？偣灿?56個控制和參數(shù)寄存器。為了避免電視干擾出現(xiàn)，通過I2C寫的參數(shù)必須在消隱期間處理。數(shù)據(jù)集輸入一致且可以被激活時，該處理器釋放控制寄存器。進一步通過寄存器，處理器獲得當(dāng)前顯示控制器的行數(shù)。?

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這些功能可以在FPGA設(shè)計內(nèi)直接解決。針對 IC2寄存器組的監(jiān)控，設(shè)計人員需要IC2從器件（slave）、I/O端口、狀態(tài)機，并復(fù)制這些參數(shù)，針對訪問IC2從器件（slave）的內(nèi)部存儲器接口，提供仲裁。對于用VHDL或VerilogHDL開發(fā)FPGA所花費的時間相對比較多，代碼的可重用性受限于HDL編碼控制器。 ?

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另一種Helion Mico32解決方案利用已經(jīng)由萊迪思MSB提供的元件：I2C從器件（slave）、GPIO、存儲器、DMA和用戶特殊的元件，諸如端口監(jiān)控到啟動存儲器傳輸。MSB提供了針對 “共享總線”或” Slave Side-Arbitration “配置器件的功能，這意味著以正確的形式自動產(chǎn)生仲裁。針對在MSB中組合這些元件，使用這種方法在幾分鐘之內(nèi)就可產(chǎn)生FPGA代碼。 于是針對Mico32，可以編寫C代碼，用所提供的調(diào)試手段進行檢查。所有的元件都很容易重復(fù)使用。?

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用這個例子，更多為數(shù)據(jù)路徑而準備的IP模塊可以組合在MSB中，例如，色彩流水線或圖像傳感器接口。對于圖像傳輸，Slave Side-Arbitration是最佳的，因為MSB產(chǎn)生自己的Wishbone總線。用這種方法，數(shù)據(jù)流不是限于通過微控制器和仲裁邏輯，在一個實體中所有元件均是自動連接的，即對片上系統(tǒng)設(shè)計的理想情況。MSB中更復(fù)雜的設(shè)計說明了這個觀點，系統(tǒng)的描述大大超過在第一個例子中用VHDL或VerilogHDL的要求。 　?

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???????????? 圖2 Mico32調(diào)試屏幕?

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基于MSB提供的簡捷和節(jié)省時間的處理方式， Helion整合了圖像傳感器驅(qū)動電路的大部分和以其自己的元件形式的數(shù)據(jù)預(yù)處理，這些元件可作為IP核?！〔⒁阅K化的方式和MSB中驗證的功能設(shè)想和實現(xiàn)系統(tǒng)。圖3為一個實例的框圖。?

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?????????? 圖3系統(tǒng)實例

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除了MSB，對于整個系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，還需要萊迪思的ispLEVER FPGA設(shè)計軟件。由MSB產(chǎn)生的Verilog HDL代碼用ispLEVER進行綜合和實現(xiàn)。該工具中包含了Reveal邏輯分析儀，調(diào)試μC的代碼后，用戶選擇對數(shù)據(jù)進行故障分析或?qū)崟r控制路徑進行檢查。Reveal提供了大量的觸發(fā)和跟蹤選項。完整的圖像處理不是完全逼真的，對μC的源代碼級調(diào)試不能包括FPGA中的所有事件或數(shù)據(jù)序列。然而使用觸發(fā)信號和邏輯組合的方式， Reveal可以實時記錄時序并將結(jié)果傳送至主機。例如，如果設(shè)計人員考慮設(shè)置Mico32位的端口位作為Reveal的觸發(fā)，并將此與控制的特定條件和數(shù)據(jù)信號相結(jié)合，就可能用μC軟件很快地切換邏輯分析儀，這也適用于調(diào)試器。 　?

總結(jié)?

MICO System Builder能夠分擔(dān)通常所做的工作。FPGA設(shè)計人員指定自己的IP模塊并集成這些組元件至MSB。該軟件開發(fā)者將項目中的元件連接在一起，針對Mico32開發(fā)C/C++程序。通過靈巧的劃分與分配數(shù)據(jù)流到自己的總線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)吞吐量。在開發(fā)階段除了靈活性之外，微控制器帶來了FPGA高效率的優(yōu)點。另一方面在許多情況下，控制的效率和預(yù)處理允許跟隨信號鏈后進一步進行DSP處理，或選擇更小更節(jié)省成本的DSP。 　?