基于SOPC的运动视觉处理系统的设计与实现

2 视频采集模块

该模块主要负责视频图像的采集，摄像头参数的设置和云台步进电机的控制。其中，通过 I2C总线可以设定摄像头内部控制寄存器。在 FPGA中，实现 I2C总线控制器的途径有两种：一种是在 Nios II中用软件模拟实现；另一种是采用第三方，比如 Sciworx，CAST，Digital Core Design等公司提供的 IP核。这些 IP核具有工作参数，可以根据需要进行设定。以 CAST公司提供的 I2C总线控制器为例，传输速率最高为 100Kbps，可以工作在 4种模式下，分别是主发送器模式、主接收器模式、从发送器模式和从接收器模式。双路 CMOS图像传感器接口控制视频图像采集的时序，帧同步和行同步；云台控制信号是根据视频图像处理后的结果，控制云台的两个步进电机的转动。这两个模块需要自己开发，形成具有自主知识产权的 IP核。

　　3 视频图像处理模块

　　该模块包括 NiosII 32位嵌入式处理器，数字信号处理块，数字图像与数字视频处理 IP MegaCore，以及其他一些逻辑电路，这是运动视觉处理与控制 SoPC设计的重点和核心，分别分以下几个部分介绍。

　　（1） Nios II嵌入式处理器

　　Nios II嵌入式处理器是一款通用的 RISC结构的 CPU，它定位于广泛的嵌入式应用。在 Nios II IDE集成开发环境中，按照操作提示添加、设置相关参数，在几分钟之内就能生成一个 Nios II嵌入式处理器。其硬件开发过程为：

　　① 分析系统所要完成的功能、达到的性能

　　② 启动 SOPC Builder，选取具体的 FPGA型号

　　③ 定义 CPU，外围器件，存储系统等模块

　　④ 为各个模块分配基地址和中断请求号（IRQ）

　　⑤ 生成 Nios系统模块，引脚锁定，编译软件开发过程为：

　　① 在 SOPC Builder中启动 Nios II IDE

　　② 创建 C/C++软件工程，并指定目标硬件

　　③ 利用工程模本编写相应的程序

　　④ 编译后，即可下载到硬件中运行

　　Nios II IDE中可以采用 C/C++或者汇编语言进行程序的编写，其文件扩展名分别为 .c和.s。一个单独的 Nios II/f CPU大约需要占用 1800个 LEs，如果再添加一些定时器，外围器件等，那么占用的逻辑单元会进一步增加。

　　（2）数字信号处理块

　　Stratix II系列 FPGA内部具有数字信号处理块（ DSP Blocks，DSP块）。数字信号处理块可以支持不同数据宽度的乘法器（ 9×9、18×18、36×36）和操作模式（乘法运算、复数乘法运算、乘加运算和乘法累加运算），每个 DSP块提供了 2.8 GMACS的 DSP数据吞吐量。最大 Stratix II器件 EP2S180内部含有 96个数字信号处理块，能够提供了 284 GMACS的吞吐量，可以支持 384个 18×18乘法器。此外，数字信号处理块增加了新的舍入和饱和支持，便于将 DSP固件代码导入FPGA。一些应用如话音处理，由于存放数据的存储缓冲是固定宽度，可以使用舍入和饱和。现在采用了支持舍入和饱和的数字信号处理块，可以很方便地将基于 DSP处理器的设计导入到 FPGA中进行实现。

　　在 Altera的可编程器件上进行 DSP系统设计，需要有同时支持高级的算法和硬件描述语言的开发工具。MathWorks的 MATLAB和 Simulink系统级的设计工具具备了算法开发、仿真、验证能力。Altera的 DSP Builder将这些工具与 Altera的开发工具组合在一起，提供了一个系统设计、算法设计和硬件设计共享的 DSP开发平台。

　　（3）视频图像处理

IP核第三方提供有许多应用于通信、图像编解码、视频处理的可定制 IP核。合理地利用这些 IP核，在保证性能与可靠性的同时，可以大大缩短开发时间。下面介绍的是色彩空间转换 IP。