利用FPGA的DSP功能提高圖像處理的實例分析

　　工程師團隊考慮了多種因素，包括：

• 多種fpga系列的性能和特性
• 提供知識產(chǎn)權(quán)(ip)內(nèi)核
• 多個供應(yīng)商的器件集成技術(shù)和業(yè)務(wù)能力
• 提供成熟的硬件和軟件開發(fā)工具
• 供應(yīng)商支持資源的可靠性

　　分析了以上因素后，公司決定購買在altera cyclone fpga中實現(xiàn)altera nios處理器的解決方案。fpga的功能如圖1所示。

　　設(shè)計轉(zhuǎn)換

　　決定使用altera的解決方案后，intevac必須確定現(xiàn)有的dsp軟件在多大程度上能夠?qū)氲絥ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個月的人工付出進行前面的數(shù)字信號處理器軟件開發(fā)，團隊現(xiàn)在面臨的問題是將圖像數(shù)據(jù)通過處理器傳送至輸出，并沒有進行視頻處理。fpga攝像機中的nios處理器具有不同的特性，只能通過rs-232串行通信協(xié)議與主機pc和視頻傳感器進行通信。幸運的是，nios處理器的軟件開發(fā)直觀明了，通過使用nios開發(fā)板，intevac在幾個小時之內(nèi)便建立了處理器和主機pc之間的通信。

　　新的fpga電路板在一個月內(nèi)完成，在這段時期內(nèi)，intevac繼續(xù)采用nios處理器開發(fā)板編寫、調(diào)試軟件代碼。intevac最初計劃采用數(shù)字信號處理器的實時操作系統(tǒng)(rtos)來管理復(fù)雜的視頻處理算法時序。由于nios處理器并不包括現(xiàn)成的rtos，軟件小組并不能確定是否能夠達到所有的時序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發(fā)現(xiàn)nios處理器的配置功能可以很好的控制信號時序，一般只需要對fpga設(shè)計稍做改動便能夠達到目標(biāo)時序要求。同一fpga環(huán)境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡單的實現(xiàn)最佳控制和視頻處理任務(wù)。

　　fpga方案實現(xiàn)了定制化，提升了性能。進一步的深入研究后，intevac開始開發(fā)定制功能和外設(shè)，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開發(fā)一個處理器來提高性能，一般在一個小時內(nèi)就可以做到這一點。硬件小組設(shè)計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的fifo模塊，以及專用dma控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流，避免了使用外部編碼器和fifo緩沖。此外，構(gòu)建了一個定制sdram控制器，使所有的視頻、屬性、nios處理器命令讀取和數(shù)據(jù)存儲都可以使用同一存儲器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時鐘，因此，采用了fpga的板上pll，從一個主時鐘中產(chǎn)生三個不同的時鐘：第一個用于視頻編碼器，第二個用于sdram時序，第三個用于外部象素傳感器。

通過集成提高了性能

　　在實現(xiàn)了以前所用外部器件的功能以后，intevac還增加了最初dsp處理器無法實現(xiàn)的功能。加入了視頻測試模式生成器來仿真攝像機的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。加入的另一功能是統(tǒng)計生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性，以便進行圖像增強和亮度處理。圖像統(tǒng)計生成器需要的數(shù)學(xué)運算如果在軟件中實現(xiàn)，那么速度很慢。intevac使用了fpga中的邏輯資源來實現(xiàn)該功能，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器。

　　電路板制好后，在幾個小時內(nèi)便完成了開發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)置，并在新板上運行。后面的幾個月中，intevac在進行硬件和軟件開發(fā)的同時，進一步調(diào)試、優(yōu)化了設(shè)計。雖然對處理器和fpga設(shè)計的其他部分進行了多次修改，但是，并沒有影響電路板布板。最后，使用cyclone器件和nios軟核處理器，將五塊電路板縮減為一塊。這種集成方式減輕了攝像機重量，所需支持電壓由四個減少到兩個，功耗降低了近80％。使用相同的pcb設(shè)置，intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

采用altera無鉛產(chǎn)品輕松達到

　　altera在業(yè)界提供的無鉛產(chǎn)品范圍最廣，1200多個產(chǎn)品具有無鉛封裝。altera作為環(huán)境無污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商，2002年以來已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬片無鉛產(chǎn)品。altera的無鉛器件符合eu directive在有害物質(zhì)使用限制(“rohs directive”)no.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(pb)、汞、鎘、六價鉻、多溴化聯(lián)苯(pbb)以及多溴化聯(lián)二苯(pbde)等。采用altera的pld集成非兼容的assp功能，可以輕松完成您的rohs轉(zhuǎn)換。

　　結(jié)語

　　設(shè)計簡化后，intevac達到了自己的性能目標(biāo)，極大的降低了元件和生產(chǎn)成本，提高了nightvista的質(zhì)量和可靠性。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)上，該解決方案還增加了更多的功能。intevac在fpga中留出了邏輯資源，這樣，現(xiàn)場應(yīng)用時，能夠進一步對攝像機進行更新。這一解決方案幫助intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設(shè)計開發(fā)流程，為今后的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省了大量的時間和資源。