一種基于ARM和FPGA的嵌入式高速圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代化生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)圖像采集系統(tǒng)要求日益提高。傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)大都是基于PC機(jī)上，而在一些特殊的場(chǎng)合，尤其是在實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，普通的PC機(jī)顯然無(wú)法滿足應(yīng)用要求。它主要包括圖像采集模塊、圖像處理模塊以及圖像存儲(chǔ)模塊等。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。圖像采集模塊負(fù)責(zé)采集原始圖像，并將原始圖像數(shù)據(jù)送給FPGA，采用了可編程視頻輸入處理器SAA7113H。一幀圖像采集完成后，ARM將圖像數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA取出，進(jìn)行必要的處理，并形成圖片文件存到CF卡中，本系統(tǒng)選用了Philips公司的LPC2214。

圖像采集芯片將原始圖像數(shù)據(jù)傳到FPGA，F(xiàn)PGA將圖像原始數(shù)據(jù)暫存于SRAMl中，當(dāng)一幀圖像存儲(chǔ)完后，下一幀圖像數(shù)據(jù)存于SRAM2中。同時(shí)，將SRAMl中的數(shù)據(jù)送給ARM，ARM在對(duì)原始圖像進(jìn)行必要的處理后，將圖像數(shù)據(jù)以圖片文件的方式存儲(chǔ)在CF卡中。這樣就實(shí)現(xiàn)了嵌入式高速圖像采集和存儲(chǔ)功能，用戶可以很方便地將CF卡上的圖片上傳到PC機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 圖像采集模塊

用可編程視頻輸入處理器SAA7113H進(jìn)行視頻信號(hào)處理。SAA7113H內(nèi)部集成了強(qiáng)大圖像色度、亮度處理功能以及多種輸出模式；有32個(gè)工作寄存器，在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，必須通過(guò)I2C總線對(duì)其進(jìn)行初始化。本系統(tǒng)使用灰度圖像，沒(méi)有使用色度信號(hào)，所以數(shù)據(jù)線為8位。SAA7113H與FPGA的接口，如圖2所示。

圖像采集卡（Image Capture Card），又稱圖像捕捉卡，是一種可以獲取數(shù)字化視頻圖像信息，并將其存儲(chǔ)和播放出來(lái)的硬件設(shè)備。很多圖像采集卡能在捕捉視頻信息的同時(shí)獲得伴音，使音頻部分和視頻部分在數(shù)字化時(shí)同步保存、同步播放。

圖像采集卡，其功能是將圖像信號(hào)采集到電腦中，以數(shù)據(jù)文件的形式保存在硬盤(pán)上。它是我們進(jìn)行圖像處理必不可少的硬件設(shè)備，通過(guò)它，我們就可以把攝像機(jī)拍攝的視頻信號(hào)從攝像帶上轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中，利用相關(guān)的視頻編輯軟件，對(duì)數(shù)字化的視頻信號(hào)進(jìn)行后期編輯處理、比如剪切畫(huà)面、添加濾鐿、字幕和音效、設(shè)置轉(zhuǎn)場(chǎng)效果以及加入各種視頻特效等等，最后將編輯完成的視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的VCD、DVD以及網(wǎng)上流行媒體等格式，方便傳播。

2.2 FPGA模塊

FPGA主要作用是把圖像采集芯片傳過(guò)來(lái)的圖像原始數(shù)據(jù)，采取乒乓操作的方式，暫存于兩片SRAM中。當(dāng)FPGA開(kāi)始接收第一幀圖像時(shí)，把該幀圖像根據(jù)FPGA內(nèi)部生成的地址存儲(chǔ)在SRAMl中，一幀圖像接收完畢后，向ARM傳送。同時(shí)，把下一幀圖像暫存于SRAM2中，然后傳給ARM，依次循環(huán)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)圖像的高速采集。本系統(tǒng)選用了Alter公司的EPlK30TCl44—3，它采用EECMOS技術(shù)，144引腳TQFP封裝，容量為10萬(wàn)門(mén)，具有高密度、低成本、低功耗的特點(diǎn)。FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)模塊、SAA7113H控制模塊、SRAM控制模塊、ARM數(shù)據(jù)交換模塊等。本系統(tǒng)中，主要針對(duì)640×480的灰度圖像的采集和存儲(chǔ)，所以選用了ISSI公司的IS6lIN25616AL，它是一種高速度、低功耗的256 kB×16的CMOS靜態(tài)隨即存儲(chǔ)器，能夠滿足系統(tǒng)的實(shí)際要求。SRAM控制模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示。

2.3 ARM模塊

ARM模塊的主要作用是，從SRAM中取出圖像原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行必要的處理，再存儲(chǔ)在大容量的CF卡上，方便用戶在PC機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行必要的處理操作。FPGA接收完一幀圖像后，向ARM發(fā)出中斷請(qǐng)求，ARM收到請(qǐng)求后，通過(guò)FP—GA將SRAM中的數(shù)據(jù)讀入。一幀數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，F(xiàn)PGA發(fā)出發(fā)送完畢信號(hào)，ARM對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理后，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量的CF卡上。ARM與FPGA及CF卡的接口電路分別，如圖4，圖5所示。

3 系統(tǒng)的工作原理及實(shí)現(xiàn)

3.1 FPGA圖像采集及暫存的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先通過(guò)I2C總線對(duì)視頻采集模塊（SAA7113H）進(jìn)行初始化，以確定其工作模式。初始化結(jié)束后，等待圖像采集命令。當(dāng)接收到FPGA發(fā)出的圖像采集命令時(shí)，視頻采集模塊開(kāi)始工作，F(xiàn)PGA依靠像素時(shí)鐘和行場(chǎng)同步信號(hào)采集灰度圖像。由于SAA7113H輸出的灰度圖像是8位的，而外部的SRAM是16位的，因此在FPGA中必須對(duì)采集到的灰度圖像進(jìn)行處理，將兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)組合，一起輸出到外部SRAM中。一幀圖像采集結(jié)束后，SAA7113H停止圖像采集，等待下一次的采集命令。

3.2 FPGA與ARM的數(shù)據(jù)交換

為了實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與處理，應(yīng)使圖像數(shù)據(jù)的采集與外部圖像數(shù)據(jù)的讀取同時(shí)進(jìn)行。因此本系統(tǒng)采用雙SRAM緩存結(jié)構(gòu)。這樣，在同一時(shí)刻，一片可用于存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，另一片可用于外部ARM對(duì)圖像數(shù)據(jù)的讀取。兩塊SRAM存儲(chǔ)區(qū)乒乓式切換。當(dāng)圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)滿SRAMl時(shí)，F(xiàn)PGA向ARM發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，然后，AlRM響應(yīng)中斷并讀取SRAMl中的圖像數(shù)據(jù)，同時(shí)將其寫(xiě)入到CF卡中，圖像數(shù)據(jù)將寫(xiě)入SRAM2，當(dāng)圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)滿SRAM2時(shí)，F(xiàn)PGA也向ARM發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)。

3.3 圖像數(shù)據(jù)在CF卡上的存儲(chǔ)

CF卡內(nèi)部控制器設(shè)計(jì)完全模擬硬盤(pán)，使用標(biāo)準(zhǔn)的ATA／IDE接口界面，可通過(guò)IDE接口與電腦連接，而且早已實(shí)現(xiàn)無(wú)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，使用非常方便。在本系統(tǒng)中，圖像數(shù)據(jù)通過(guò)ARM存入CF卡，因此必須實(shí)現(xiàn)ARM對(duì)CF卡的配置、讀寫(xiě)控制等操作。ARM對(duì)CF卡驅(qū)動(dòng)的接口函數(shù)由硬件接口函數(shù)和用戶使用函數(shù)組成，硬件接口函數(shù)是與系統(tǒng)硬件相關(guān)的函數(shù)集。主要包括硬件復(fù)位函數(shù)、ATA寄存器操作函數(shù)和ATA設(shè)備探測(cè)函數(shù)；用戶使用函數(shù)包括ATA設(shè)備驅(qū)動(dòng)初始化函數(shù)、查找ATA接口設(shè)備函數(shù)、讀扇區(qū)函數(shù)、寫(xiě)扇區(qū)函數(shù)、獲取設(shè)備信息、使設(shè)備立即進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)和使設(shè)備立即進(jìn)入空閑狀態(tài)。

CF卡全稱為 “ Compact Flash ” 卡，譯為漢語(yǔ)就是 “ 標(biāo)準(zhǔn)閃存卡 ” ， CF卡是最早推出的存儲(chǔ)卡產(chǎn)品，由最大的FLASH MEMORY廠商之一的美國(guó)SANDISK于1994年研發(fā)成功的。

CF卡是目前應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)卡，由于它不帶驅(qū)動(dòng)器，也沒(méi)有其它的移動(dòng)部件，因此，極少出現(xiàn)機(jī)械故障，使存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)更加安全。CF卡的使用壽命也非常長(zhǎng)，即使用上100多年也可以保證數(shù)據(jù)完好無(wú)損。而且CF卡耗電量小，只有普通硬盤(pán)的5%。與其它存儲(chǔ)卡相比，容量大是CF卡的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，目前主流產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到512Mb和1Gb標(biāo)準(zhǔn)。另外它還具備速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。CF卡的主要缺點(diǎn)是CF模塊在設(shè)備與安裝程序之間不存在互換性，不能直接運(yùn)行程序，功耗大，勢(shì)必會(huì)影響到電池續(xù)航時(shí)間等。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中介紹了用ARM和FPGA實(shí)現(xiàn)的一個(gè)嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的工作溫度為O~60℃，可以實(shí)現(xiàn)每秒20~30幀的視頻流灰度圖像采集和存儲(chǔ)，能夠滿足嵌入式實(shí)時(shí)圖像采集存儲(chǔ)的應(yīng)用要求，系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間取決于CF卡的存儲(chǔ)容量。在本系統(tǒng)中，圖像的采集存儲(chǔ)脫離了PC機(jī)，使圖像的采集存儲(chǔ)真正達(dá)到了實(shí)時(shí)性和嵌入式的要求。本系統(tǒng)可以應(yīng)用在軍事射擊評(píng)價(jià)、工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、醫(yī)療和生物等領(lǐng)域。