基于SoPC的自感知運動圖像采集系統(tǒng)設計
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(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(tǒng)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200 MIPS，并在NiosⅡ中完成SD卡驅(qū)動程序設計。前端的采集緩存電路與NiosⅡ系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)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寫端口的時鐘信號、寫請求信號同步于SDRAM控制模塊的ReadFIFO1，而DATAIN_FIFO的讀端口的時鐘、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(jié)構(gòu)自動產(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(shù)據(jù)準備好才輸出readdata。開始和結(jié)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(shù)據(jù)剛好為一幀320×240圖像。
由于NiosⅡ系統(tǒng)提供了成熟的SPI接口，所以設計中采用SPI總線協(xié)議模式來讀寫SD卡。因為MMC卡在復位階段要求SPI的時鐘頻率要小于等于400 kHz，為了提高讀寫速度，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(shù)據(jù)傳輸時設為25 MHz。本文引用地址：http://butianyuan.cn/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(tǒng)的實際需要，程序只實現(xiàn)了寫B(tài)MP圖像文件功能。程序主要由SD卡操作驅(qū)動接口函數(shù)和文件系統(tǒng)層組成。
驅(qū)動函數(shù)目的是為文件系統(tǒng)層提供所需的SD卡初始化函數(shù)和SD卡寫多塊數(shù)據(jù)函數(shù)。圖8是SD卡寫函數(shù)流程圖示意圖。當寫函數(shù)接收到主程序的寫文件指令后，就向SD卡發(fā)送多塊寫命令，卡將發(fā)送給主機一個應答令牌，并且等待主機發(fā)送一個發(fā)送數(shù)據(jù)塊來，當應答R1為0時，說明可以發(fā)送數(shù)據(jù)，塊大小設置為512 B。數(shù)據(jù)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)送的時間，該系統(tǒng)采用自定義用戶指令對這部分進行了加速處理。
要使寫入SD卡的數(shù)據(jù)在裝有Windows或Linux操作系統(tǒng)的上位機中得到正確訪問，需要在SD卡上創(chuàng)建它們支持的文件系統(tǒng)?？紤]到FAT12目前已經(jīng)很少使用，在此設計的文件系統(tǒng)只支持FAT16和FAT32。并且將整個卡作為一個分區(qū)處理。
圖9是系統(tǒng)的軟件工作主要流程圖。在主程序中，系統(tǒng)啟動后，先進行初始化操作，包括中斷初始化、文件系統(tǒng)初始化和SD卡底層驅(qū)動的初始化。隨后系統(tǒng)進入主循環(huán)等待狀態(tài)，一旦檢測到DETECT_PIO電平的變化就暫停SDRAM數(shù)據(jù)寫入，以防SDRAM緩存的圖像數(shù)據(jù)被覆蓋，同時根據(jù)當前的時間創(chuàng)建一個BMP格式的文件，然后往里填寫文件頭和文件信息頭，隨后連續(xù)寫一幀RGB數(shù)據(jù)。文件創(chuàng)建完畢后系統(tǒng)繼續(xù)處于檢測等待狀態(tài)，并恢復SDRAM數(shù)據(jù)寫入。
5 系統(tǒng)評價
該設計在自制核心實驗板上(見圖10)進行了軟、硬件仿真和調(diào)試，調(diào)試環(huán)境參數(shù)設定如下：采集時鐘頻率為25 MHz，NiosⅡ時鐘頻率為100 MHz、每幀圖像大小為320×240像素。調(diào)試結(jié)果如下：系統(tǒng)采集速度在60幀／s左右。對五米之內(nèi)場景動態(tài)變化的響應時間在5 ms左右，SD卡保存單幀圖像時間約為9 s(每幀圖像數(shù)據(jù)量是153 600 B)，連續(xù)工作一個星期無任何故障發(fā)生。結(jié)果表明該系統(tǒng)圖像采集和處理速度超過一般的以軟件實現(xiàn)為主的嵌入式圖像采集方案(如ARM處理器系統(tǒng))。由于核心處理器采用單芯片方案，采集系統(tǒng)比較穩(wěn)定，同時其功耗大大低于多芯片方案。
6 結(jié) 語
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(tǒng)集成方案，并實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要特點是處理速度快、功耗低、穩(wěn)定可靠。
該設計可以在進一步工作中移植嵌入式操作系統(tǒng)μCLinux，以實現(xiàn)復雜的多任務操作。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測系統(tǒng)中，同時以其良好的擴展性，也可作為一個子系統(tǒng)應用于大型圖像處理系統(tǒng)的前端部分。
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