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              采用StratixII系列FPGA器件实现运动视觉处理系统的设计

              2020年08月19日 16:11 ? 次阅读

               ?。ɡ丛矗何?a target='_blank' class='arckwlink_hide'>计算机信息 ,作者:张学志, 魏友国,涂望明,田 璋,侯彦宾)

              引言

              随着深亚微米工艺的发展, FPGA的容量和密度不断增加,以其强大的并行乘加运算(MAC)能力和灵活的动态可重构性,被广泛应用于通信、图像等许多领域。但是在复杂算法的实现上,FPGA不如嵌入式处理器方便,所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时,往往需要和嵌入式处理器结合使用,这就是 SOPC(System on a Programmable chip,可编程片上系统)技术。 SoPC是 SoC和 FPGA结合的产物,由单个可编程重构的芯片完成整个系统的主要功能。SoPC设计灵活多变,可以用原理图,硬件描述语言甚至是 C/C++高级语言进行设计;同时还具有可重构、可裁减、可扩充等特点,升级方便。 SoPC兼备 SoC和 FPGA二者的优点,具有如下特点:

              ●丰富的 IP核资源,包括通用 IP核和专用的 IP核

              ●在系统可编程,设计、编译、下载与调试简单方便

              ●内置嵌入式软核处理器,存储器,外设接口控制器

              ●大量可编程重构的逻辑资源

              ●功能强大的时钟管理电路

              ●支持多种 I/O接口标准

              此外,由于减小了处理器和存储器之间的传输线距离,SoPC无论在速度,还是信号完整性,电磁兼容等方面,比板级系统都有明显的优越性。

              1 、功能框图

              在数字视频视觉采集与处理板级系统开发的基础上,本文采用 SoPC实现运动视觉处理与控制系统的设计方案。硬件采用 Altera公司 StratixII系列 FPGA,软件开发工具包括 QuartusII,NiosII5.1 IDE,DSP Builder,MegaCore IP Library5.1和 Matlab7.0等。整个 SoPC系统工作原理为:摄像头采集的视频图像数据由图像传感器接口进来;数字信号处理块和数字图像与数字视频处理 IP核完成视频图像的处理,如运动检测、分割、特征提取、压缩等; Nios II嵌入式处理器主要完成整个系统的控制功能;I2C总线用于访问 CMOS图像传感器的内部寄存器;PC机可以通过 USB接口访问 SoPC,如果距离较远的话,可以通过以太网口进行数据的传输;视频图像及其处理后的结果既可以通过外部存储器接口存放在 CF卡, FLASH等存储介质中,也可以通过 LCD显示器接口在液晶显示屏上直接显示。该运动视觉 SoPC的功能框图如图 1所示:

              采用StratixII系列FPGA器件实现运动视觉处理系统的设计

              该??橹饕涸鹗悠低枷竦牟杉?,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??樾枰约嚎?,形成具有自主知识产权的 IP核。

              2、 视频图像处理???/p>

              该??榘?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???/p>

              ④ 为各个??榉峙浠刂泛椭卸锨肭蠛牛↖RQ)

              ⑤ 生成 Nios系统???,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。

              CSC(Color Space Convertorr)是 Altera公司提供的 MegaCore IP库文件中的一个专门用于图像色彩空间转换的 IP核,与软件转换相比,其具有明显的速度优势和灵活性:

              ● 每个时钟周期完成一个像素点的转换

              ● 在 StraTIx系列 FPGA中,时钟频率大于 200MHz

              ● 支持 RGB和 YCbCr、YUV之间的互换

              ● 用户可以自定义转换矩阵的相关系数

              ● 支持有符号数和无符号数

              输入输出的数据宽度为 2~32b 4 RAM数据缓冲区 StraTIx II系列 FPGA最多包含有 9Mb的片上 RAM。这些 RAM采用 TriMatrix存储结构,包括三种大小的嵌入式存储器块,分别为: 512b的M512块,4Kb的M4K块和512Kb的M-RAM块,每个都可以配置支持各种特性,如单端口 RAM,双端口 RAM,FIFO等,为大存储量应用提供解决方案。

              3、 外部存储器和外设接口

              Stratix II系列 FPGA为外部存储器的可靠数据传送而进行了优化设计,支持最新的存储接口访问片外存储器??⑷嗽笔褂?Stratix II先进的器件特性和可定制的 IP核,能够快速和方便地将各种大容量存储器件集成到复杂的系统设计中。Stratix II支持各种最新的存储接口。Stratix II系列 FPGA片内处理器与外设之间是通过 Avalon交换式总线连接的。 Avalon交换式总线是 Altera开发的一种专用内部连线技术,使用最少的逻辑资源来支持数据总线的复用、地址译码、等待周期的产生、外设的地址对齐、中断优先级的指定等。外设接口可定制的 IP核有 USB、I2C、Ethernet、PCI等控制器,这些 IP核大多是由第三方提供的,可以免费试用,也可支付部分费用购买。本系统采用的 USB2.0控制器和以太网接口控制器均由 Mentor公司提供。

              4、时钟管理电路

              Stratix II系列 FPGA具有多达 48个高性能的低偏移全局时钟,它可以用于高性能功能或全局控制信号;多达 12个可编程锁相环( PLL),具有完备的时钟管理和频率合成能力,包括时钟切换、PLL重配置、扩频时钟、频率综合、可编程相位偏移、可编程延迟偏移、外部反馈和可编程带宽。Stratix II有两类通用的 PLL:增强型 PLL和快速型 PLL。增强型 PLL功能丰富,支持外部反馈、扩频时钟、可编程带宽等;快速型 PLL针对高速差分 I/O接口进行了优化,具有动态相位调整( DPA)功能。这些高速时钟网络和丰富的 PLL结合起来,为系统在最小的时钟偏移下工作提供有力的保证。

              5、 SoPC的其他组成部分

              FPGA配置接口用于 SoPC的配置、编译和在线调试; LCD显示接口可以外接液晶显示屏;报警信号是在检测和识别出运动目标时,发出的声音或光电信号,可用于安防;标准

              I/O口则是预留的,用于日后的升级扩展。

              创新点:SoPC概念提出以前,电子系统的集成设计主要以板级为主,这种设计方法随着系统时钟频率的不断提高和电路功能的日趋复杂,实现的难度越来越大,电磁干扰和信号完整性问题日益突出。仅靠优化 PCB的布局和布线,已经不能满足高速信号的传输和处理要求。随着半导体工业的不断发展,可编程片上系统以其较高的性能、可靠性,较低的功耗、成本和良好的便携性将成为未来电子产品开发设计的主流。而运动视觉 SoPC更好地解决了板级电路的一系列问题,并可广泛应用于安防监控、视觉导航、智能交通等众多领域,必定会有良好的市场前景。

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              智能建筑基于IP的集成解决方案,促进网络优化功能

              物联网在互联建筑领域如何发展?

              听起来很简单:每座建筑物的背后都有一种商业模式。正如我们在Salesforce所认为的那样,每个业务....
              发表于 2020-08-18 15:02? 249次阅读
              物联网在互联建筑领域如何发展?

              阻碍智慧城市发展的因素是什么?

              根据IESCE城市运动指数,阿姆斯特丹被评为全球第十大智慧城市和西欧第四最佳城市。特别值得一提的是,....
              发表于 2020-08-18 14:41? 374次阅读
              阻碍智慧城市发展的因素是什么?

              智能机器人提升仓储智慧化

              大数据可以有效提高物流配送效率,所有订单信息发送到企业配送仓库,智能仓储可在最短时间内根据买家地址检....
              发表于 2020-08-18 14:02? 286次阅读
              智能机器人提升仓储智慧化

              基于单片机STC12C5410AD和FPGA???..

              而早期电桥测试仪表操作复杂,测试时要求双方配合,并需知道准确的线缆长度等技术数据;测量精度受环境温度....
              发表于 2020-08-18 13:48? 73次阅读
              基于单片机STC12C5410AD和FPGA???..

              基于单片机SPCE061A实现语音环境参数测试仪...

              人们健康意识和环保意识的逐渐增强使环境参数及其对身体的影响日益受到关注。然而现实生活中人们常常身处煤....
              发表于 2020-08-18 13:48? 74次阅读
              基于单片机SPCE061A实现语音环境参数测试仪...

              国内外应变式传感器市场发展分析

              值得注意的是,在竞争激烈的国际传感器市场中,宁波柯力传感器科技股份有限公司异军突起,成为唯一一家无论....
              发表于 2020-08-18 12:10? 104次阅读
              国内外应变式传感器市场发展分析

              华为海思这些芯片设计企业在中国 MEMS 传感器...

              刚刚说过,半导体元件的类型中占比较大的就是集成电路(Integrated Circuit, 简称IC....
              发表于 2020-08-18 11:52? 508次阅读
              华为海思这些芯片设计企业在中国 MEMS 传感器...

              亚马逊购物车联结数字世界和物理物理世界,并产生奇...

              除了亚马逊,一些初创公司也已经在制造类似的智能购物车,在商店中进行测试,但是许多初创公司需要在扫描杂....
              发表于 2020-08-18 11:44? 284次阅读
              亚马逊购物车联结数字世界和物理物理世界,并产生奇...

              AT&T开发了能够清洁和消毒表面并监控店...

              尽管各地的社交距离指导原则各不相同,但大多数超市都要求顾客佩戴口罩,并与其他顾客保持至少6英尺的距离....
              发表于 2020-08-18 11:40? 56次阅读
              AT&T开发了能够清洁和消毒表面并监控店...

              海思发布高端应用处理器麒麟990 5G

              兆易创新业务布局包括存储芯片(NOR Flash、NAND Flash)、MCU、传感器三部分,20....
              发表于 2020-08-18 11:25? 643次阅读
              海思发布高端应用处理器麒麟990 5G

              中兴通讯V2X云控平台为智能网联汽车提供基础环境...

              8月13日,中兴通讯在雄安新区演示了5G SA大带宽、5G MEC边缘计算及C-V2X 车路协同等业....
              发表于 2020-08-18 11:24? 235次阅读
              中兴通讯V2X云控平台为智能网联汽车提供基础环境...

              5G对自然环境潜在负面影响?

              为了防止污水污染印第安纳州南本德的圣约瑟夫河,在人孔中安装了智能下水道技术。该技术将污水溢流减少了7....
              发表于 2020-08-18 11:21? 285次阅读
              5G对自然环境潜在负面影响?

              称重传感器该如何接线,它的常见接线问题的分析

              教你称重传感器如何接线: 首先确定显示器上传感器器接口的电源正、电源负、反馈正、反馈负、信号正、信号....
              发表于 2020-08-18 11:09? 65次阅读
              称重传感器该如何接线,它的常见接线问题的分析

              关于烟雾探测器的广泛应用范围

              烟雾探测器,也被称为感烟式火灾探测器、烟感探测器、感烟探测器、烟感探头和烟感传感器,主要应用于消防系....
              发表于 2020-08-18 11:03? 242次阅读
              关于烟雾探测器的广泛应用范围

              实例!详解FPGA如何实现FP16格式点积级联运算

              神经网络架构中的核心之一就是卷积层,卷积的最基本操作就是点积。向量乘法的结果是向量的每个元素的总和相乘在一起,...
              发表于 2020-08-18 10:58? 43次阅读
              实例!详解FPGA如何实现FP16格式点积级联运算

              可燃气体传感器报警器:检测天然气泄漏并发出警报

              自2007年以来,由燃气泄漏引起的爆炸事故在全国各地不断发生。为了加强管理,国务院于2010年11月....
              发表于 2020-08-18 10:55? 34次阅读
              可燃气体传感器报警器:检测天然气泄漏并发出警报

              车载电子稳定系统采用传感器监视汽车转向帮助驾驶员...

              美国高速公路安全保险研究所日前在其公布的研究报告中说,电子稳定系统能将仅涉及单辆汽车的致命性车祸的危....
              发表于 2020-08-18 10:51? 71次阅读
              车载电子稳定系统采用传感器监视汽车转向帮助驾驶员...

              物联网制造商如何?;に堑纳璞负涂突У氖??

              考虑到只有大约13%的智能设备制造商在产品中嵌入了最基本的安全方法,因此这项立法是为消费者物联网产品....
              发表于 2020-08-18 10:48? 108次阅读
              物联网制造商如何?;に堑纳璞负涂突У氖??

              奥普特利将在能源领域的芯片设计等方面推动业务快速...

              奥普特利集团有限公司董事长李涛,西人马联合测控(泉州)科技有限公司董事长聂泳忠博士及相关人员出席签约....
              发表于 2020-08-18 10:33? 422次阅读
              奥普特利将在能源领域的芯片设计等方面推动业务快速...

              华为确认正致力开发实现全屏指纹解锁和屏下摄像头的...

              据外媒报道,华为技术人员在于AA的交流中确认,他们正致力于实现全屏指纹解锁和屏下摄像头技术的并存。
              发表于 2020-08-18 10:22? 121次阅读
              华为确认正致力开发实现全屏指纹解锁和屏下摄像头的...

              利用NI FlexRIO FPGA??楹褪逝淦髂?..

              自从1997年基于FPGA的可重配置I/O(RIO)产品在NIWeek图形化系统设计会议上首次亮相以....
              发表于 2020-08-18 09:35? 374次阅读
              利用NI FlexRIO FPGA??楹褪逝淦髂?..

              基于AT89S51单片机实现多路信号源的系统设计

              本系统的硬件部分以Atmel公司的AT89S51单片机为核心,其外围电路主要包括:D/A转换电路、电....
              发表于 2020-08-18 09:25? 140次阅读
              基于AT89S51单片机实现多路信号源的系统设计

              仿生四足机器人中多传感器信息融合的应用有哪些

              多传感器信息融合技术综合了概率统计、信号处理、人工智能、控制理论等多个学科的最新科研成果,为机器人精确、全面、...
              发表于 2020-08-18 07:43? 0次阅读
              仿生四足机器人中多传感器信息融合的应用有哪些

              超声波传感器在自动驾驶环境感知下的应用有哪些

              超声波主要用于泊车测距、辅助刹车等,量程较短等,然而在倒车辅助过程中,超声波传感器通常需同控制器和显示器结合使...
              发表于 2020-08-18 07:13? 0次阅读
              超声波传感器在自动驾驶环境感知下的应用有哪些

              传感器产品及方案亮点解读

              传感器是时代的重要角色,随着物联网在工业领域的应用推广,越来越多的设备需要采用传感器采集数据,进一步去挖掘数据...
              发表于 2020-08-18 07:11? 0次阅读
              传感器产品及方案亮点解读

              “合肥造”植保无人机即将亮相

              有让您回味无穷的老电影物件、连环画绘本,也有“星光熠熠”的高科技产品。在每年的文博会上,作为“科技之城”的合肥...
              发表于 2020-08-18 06:51? 0次阅读
              “合肥造”植保无人机即将亮相

              电阻应变式传感器知识汇总

              电阻应变式传感器概述 电阻应变式传感器(straingauge type transducer )是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感...
              发表于 2020-08-18 06:36? 0次阅读
              电阻应变式传感器知识汇总

              气象站带你观云测天,可随时掌握天气的变化动向

              随着地球自然资源被破坏,导致全球变暖、地球气候变幻无常。气候的变化与我们的工作、生活息息相关,任何气....
              发表于 2020-08-17 17:21? 38次阅读
              气象站带你观云测天,可随时掌握天气的变化动向
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