SoPC技術在圖像采集和處理系統中的應用設計

系統的工作過程是：系統配置完成后，視頻獲取設備獲取視頻圖像，每幀圖像經模數轉換生成圖像數據進入預處理模塊，經預處理后的圖像數據送入SDRAM存儲器，由Nios II處理器進行圖像的后續處理和控制。處理后的圖像經數模轉換在監視器上實時顯示。
1.1 圖像采集接口電路設計
本系統采用美國OmiVision公司的數字式彩色CMOS圖像傳感器OV7640。該芯片分辨率為640×480像素，成像速度為30幀/s，采取逐行掃描方式，輸出為數字信號。工作原理如圖2。

圖像采集的程序流程是：首先Nios初始化OV7640的各個寄存器，主要包括狀態寄存器（STA）、數據和時鐘控制寄存器(CLKRC)、自動增益控制寄存器(AGC)的設置；然后查詢等待，條碼圖像被OV7640采集進入數據寄存器后，通過DMA方式存入SDRAM，Nios再從SDRAM中提取數據進行譯碼。
1.2 基于Nios的SoPC系統硬件設計
基于Nios軟核的SoPC系統設計是整個系統硬件設計的核心，包括Nios軟核處理器的設計、數據采集控制的設計、圖像信號FFT分析的實現、參數顯示以及RS232通信模塊的設計等。另外，使用Nios進行嵌入式設計在硬件上必需使用Altera公司的FPGA。
Nios處理器核的硬件設計是根據系統的功能要求定制合適的CPU和外設，然后在SoPC和Quartus II中實現。在硬件設計流程中，可以靈活定制Nios CPU的許多特性甚至指令，可以使用Altera提供的IP Core來加快設計者開發Nios外設的速度并提高外設性能，也可以使用第三方的IP Core，或者使用VHDL、Verilog自行定制外設。
系統Nios外設主要包括：
(1)CMOS圖像傳感器接口模塊。由于Altera沒有提供CMOS圖像傳感器接口模塊，所以使用VHDL編程自行定制。通過VHDL編程設計一個CMOS圖像傳感器控制模塊，采用接入Avalon總線的方式自定制外設。
(2)由于要對數字圖像信號進行FFT運算，所以采集的數據必須先進行存儲，然后再作FFT計算。因此，必須設計FIFO存儲器和FFT實現的硬件。
(3)RS232通信電路模塊。RS232通信可以通過串行口UART加上一個轉換芯片來實現。所以，本系統利用SoPC中提供的UART組件來實現RS232通信接口的設計。
(4)LCD液晶顯示模塊。LCD液晶顯示是通過配置Nios的PIO接口來控制的。
除上面所述之外，根據系統要求，Nios處理器核應當配置以下組件及接口模塊：cpu、boot_rom（用于系統引導）、uart1(用于系統的仿真調試)、uart_rs232(用于串口通訊)、Timer1(系統內部時鐘)、lan_timer(以太網通信用時鐘)、button_pio(用于參數設置)、lcd_pio(用于參數顯示)、user_logic_ad_nv_ctl和user_logic_ad_power_ctl(自定義的AD轉換的接口模塊)、Ethernet(用于以太網通信)、ext_ram(外部SRAM)、dma(用于將采集的數據直接存入SRAM中)和ext_flash(外部flash)。
本系統中數據的存儲是通過設計FIFO存儲器電路實現的。FIFO存儲器電路主要由一個雙口RAM模塊(Dual-Port RAM)和狀態機模塊(State Machine Table)組成，通過先進先出(FIFO)堆棧把數據存儲在雙口RAM中。其設計是在Matlab環境下利用Altera DSP Builder設計工具實現的。
電路設計完成并仿真驗證成功后，應用DSP Builder中的signal Compiler進行編譯分析，經signal Compiler轉換后可以變成VHDL語言的程序。同時，在Quartus II中，可以將VHDL語言程序轉換成電路符號，便于應用原理圖的方法設計硬件系統。由FIFO存儲器的VHDL程序生成的電路符號如圖3所示。在設計過程中，需要用到Quartus II軟件和其內嵌的IP Toolbench。按照本系統的要求設置FFT的參數為：點數為1 024點，數據寬度為12 bit。最后設計生成FFT的MegaCore Function模塊，包含一些VHDL程序及其他相關的文件。由VHDL程序生成的FFT模塊電路符號如圖4所示。