采用FPGA集成DSP功能，提高成像應(yīng)用的性能

Intevac是商用和軍用市場(chǎng)光學(xué)產(chǎn)品的前沿開(kāi)發(fā)商。本文介紹該公司NightVista嵌入式電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，該產(chǎn)品是高性能超低亮度緊湊型攝像機(jī)。該攝像機(jī)最初采用了流行的數(shù)字信號(hào)處理器、幾個(gè)ASSP和外部存儲(chǔ)器件。系統(tǒng)對(duì)性能的需求越來(lái)越高，工程師團(tuán)隊(duì)決定試驗(yàn)一種替代方案——在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)可配置軟核處理器。這一決定帶來(lái)了以下好處：

  達(dá)到了目標(biāo)所要求的性能
  在單個(gè)FPGA中集成了分立的元件和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能
  功耗降低了近80%
  將五塊元件板縮減到一塊，顯著降低了成本
  縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間

圖1  Intevac NightVista攝像機(jī)中Cyclone系列FPGA功能框圖

DSP基于處理器的實(shí)現(xiàn)方法

NightVista電子系統(tǒng)的部分功能包括：
  攝像機(jī)上電測(cè)試和初始化
  視頻傳感校準(zhǔn)和表征
  圖像增強(qiáng)管理的自動(dòng)增益控制
  圖形、文本和水印屏顯示功能
  實(shí)時(shí)自適應(yīng)對(duì)比度調(diào)整
  Gamma校正、視頻停幀捕獲，并存儲(chǔ)至閃存
  實(shí)時(shí)時(shí)鐘
  用戶定義的可編程預(yù)置配置
  通過(guò)RS-232與主機(jī)PC進(jìn)行通信
  攝像機(jī)功能和參數(shù)遠(yuǎn)程更新，攝像機(jī)至主機(jī)PC視頻數(shù)據(jù)傳送

Intevac開(kāi)發(fā)NightVista電子產(chǎn)品的最初方法是采用數(shù)字信號(hào)處理器。除了處理器之外，還需要其他幾個(gè)主要部件，包括NTSC視頻編碼器、一個(gè)RS-232接口、多個(gè)鎖相環(huán)(PLL)、實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能的CPLD，以及幾個(gè)存儲(chǔ)器(FIFO、SDRAM和閃存)。此外，這些部件需要四個(gè)不同的工作電壓(需要四個(gè)電源穩(wěn)壓器和不同的PCB板層)，四個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘系統(tǒng)，以及各自的振蕩器和電源去耦電路。總體上，這些部件占用了五塊PCB，每一塊電路板大約兩平方英寸，堆疊在該攝像機(jī)兩英寸見(jiàn)方的外殼中。

硬件開(kāi)發(fā)了幾個(gè)月之后，大家清楚的認(rèn)識(shí)到該解決方案難以達(dá)到Intevac為NightVista設(shè)定的性能目標(biāo)，重量和功耗令人難以接受。而且，由于高密度堆疊的PCB功耗很大，帶來(lái)了明顯的熱管理問(wèn)題。Intevac決定中斷基于數(shù)字信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)而采用基于FPGA的混合邏輯和軟核微處理器方案。Intevac并沒(méi)有使用集成微處理器可編程邏輯的經(jīng)驗(yàn)，但是一個(gè)使用Altera演示板的評(píng)估方案很有吸引力，其最新的低成本FPGA能夠?qū)⒁粋€(gè)完整的32位RISC處理器和存儲(chǔ)器模塊、PLL以及大量的邏輯資源集成到一起，實(shí)現(xiàn)專用視頻信號(hào)處理功能。在FPGA中集成PLL可以解決與電路板級(jí)多時(shí)鐘系統(tǒng)相關(guān)的大量問(wèn)題。

工程師團(tuán)隊(duì)考慮了多種因素，包括：
  多種FPGA系列的性能和特性
  提供知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核
  多個(gè)供應(yīng)商的器件集成技術(shù)和業(yè)務(wù)能力
  提供成熟的硬件和軟件開(kāi)發(fā)工具
  供應(yīng)商支持資源的可靠性

分析了以上因素后，公司決定購(gòu)買在Altera Cyclone FPGA中實(shí)現(xiàn)Altera Nios處理器的解決方案。FPGA的功能如圖1所示。

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換

決定使用Altera的解決方案后，Intevac必須確定現(xiàn)有的DSP軟件在多大程度上能夠?qū)氲絅ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個(gè)月的人工付出進(jìn)行前面的數(shù)字信號(hào)處理器軟件開(kāi)發(fā)，團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在面臨的問(wèn)題是將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)處理器傳送至輸出，并沒(méi)有進(jìn)行視頻處理。FPGA攝像機(jī)中的Nios處理器具有不同的特性，只能通過(guò)RS-232串行通信協(xié)議與主機(jī)PC和視頻傳感器進(jìn)行通信。幸運(yùn)的是，Nios處理器的軟件開(kāi)發(fā)直觀明了，通過(guò)使用Nios開(kāi)發(fā)板，Intevac在幾個(gè)小時(shí)之內(nèi)便建立了處理器和主機(jī)PC之間的通信。

新的FPGA電路板在一個(gè)月內(nèi)完成，在這段時(shí)期內(nèi)，Intevac繼續(xù)采用Nios處理器開(kāi)發(fā)板編寫(xiě)、調(diào)試軟件代碼。Intevac最初計(jì)劃采用數(shù)字信號(hào)處理器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)來(lái)管理復(fù)雜的視頻處理算法時(shí)序。由于Nios處理器并不包括現(xiàn)成的RTOS，軟件小組并不能確定是否能夠達(dá)到所有的時(shí)序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發(fā)現(xiàn)Nios處理器的配置功能可以很好的控制信號(hào)時(shí)序，一般只需要對(duì)FPGA設(shè)計(jì)稍做改動(dòng)便能夠達(dá)到目標(biāo)時(shí)序要求。同一FPGA環(huán)境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)最佳控制和視頻處理任務(wù)。

FPGA方案實(shí)現(xiàn)了定制化，提升了性能

進(jìn)一步的深入研究后，Intevac開(kāi)始開(kāi)發(fā)定制功能和外設(shè)，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開(kāi)發(fā)一個(gè)處理器來(lái)提高性能，一般在一個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以做到這一點(diǎn)。硬件小組設(shè)計(jì)了一個(gè)定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的FIFO模塊，以及專用DMA控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流，避免了使用外部編碼器和FIFO緩沖。此外，構(gòu)建了一個(gè)定制SDRAM控制器，使所有的視頻、屬性、Nios處理器命令讀取和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都可以使用同一存儲(chǔ)器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時(shí)鐘，因此，采用了FPGA的板上PLL，從一個(gè)主時(shí)鐘中產(chǎn)生三個(gè)不同的時(shí)鐘：第一個(gè)用于視頻編碼器，第二個(gè)用于SDRAM時(shí)序，第三個(gè)用于外部象素傳感器。

通過(guò)集成提高了性能

在實(shí)現(xiàn)了以前所用外部器件的功能以后，Intevac還增加了最初DSP處理器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的功能。加入了視頻測(cè)試模式生成器來(lái)仿真攝像機(jī)的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。加入的另一功能是統(tǒng)計(jì)生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性，以便進(jìn)行圖像增強(qiáng)和亮度處理。圖像統(tǒng)計(jì)生成器需要的數(shù)學(xué)運(yùn)算如果在軟件中實(shí)現(xiàn)，那么速度很慢。Intevac使用了FPGA中的邏輯資源來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器。

電路板制好后，在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)便完成了開(kāi)發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)置，并在新板上運(yùn)行。后面的幾個(gè)月中，Intevac在進(jìn)行硬件和軟件開(kāi)發(fā)的同時(shí)，進(jìn)一步調(diào)試、優(yōu)化了設(shè)計(jì)。雖然對(duì)處理器和FPGA設(shè)計(jì)的其他部分進(jìn)行了多次修改，但是，并沒(méi)有影響電路板布板。最后，使用Cyclone器件和Nios軟核處理器，將五塊電路板縮減為一塊。這種集成方式減輕了攝像機(jī)重量，所需支持電壓由四個(gè)減少到兩個(gè)，功耗降低了近80％。使用相同的PCB設(shè)置，Intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

采用Altera無(wú)鉛產(chǎn)品輕松達(dá)到RoHS

Altera在業(yè)界提供的無(wú)鉛產(chǎn)品范圍最廣，1200多個(gè)產(chǎn)品具有無(wú)鉛封裝。Altera作為環(huán)境無(wú)污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商，2002年以來(lái)已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬(wàn)片無(wú)鉛產(chǎn)品。Altera的無(wú)鉛器件符合EU Directive在有害物質(zhì)使用限制(“RoHS Directive”)No.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(Pb)、汞、鎘、六價(jià)鉻、多溴化聯(lián)苯(PBB)以及多溴化聯(lián)二苯(PBDE)等。采用Altera的PLD集成非兼容的ASSP功能，可以輕松完成您的RoHS轉(zhuǎn)換。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化后，Intevac達(dá)到了自己的性能目標(biāo)，極大的降低了元件和生產(chǎn)成本，提高了NightVista的質(zhì)量和可靠性。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)上，該解決方案還增加了更多的功能。Intevac在FPGA中留出了邏輯資源，這樣，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)，能夠進(jìn)一步對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行更新。這一解決方案幫助Intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程，為今后的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)節(jié)省了大量的時(shí)間和資源?！?/P>