基于FPGA的嵌入式監控系統設計

    目前，圖像監控系統大多采用PC和視頻采集卡作為系統主要部分，基于嵌入式技術的圖像監控系統設備在我國還只是起步階 段，沒有成熟的產品應用。這一現狀的根本原因就是我國在開發這類產品時，沒有統一的開發標準和共用的開發平臺，而且沒有可靠的功能和性能測試標準，各個企 業的開發技術力量分散，極大的影響了該類產品開發的效率和可靠性。而制造出來的產品同國外同類產品相比，功能相差太大，沒有競爭力，市場基本上被國外公司 所占領。因此，開發一個該類嵌入式系統勢在必行。

    系統總體方案

    為了實現自動圖像報警和圖像采集，本文設計了動體檢測算法，這是因為絕大多數情況下我們只對監控區域中運動的物體感興 趣，這樣可以過濾掉只包含靜態背景的圖像，從而降低了對有限的嵌入式硬件資源的消耗。由于活動物體大多是人，而且這也是圖像監控的目標，為此加入了人體信 號探測器，用以輔助動體檢測，以達到降低圖像報警誤報率的目的。本系統主要集成了圖像采集、控制和存儲等器件或芯片，組成了以FPGA為控制核心的實時圖 像監控系統。系統的總體方案如圖1所示。

　　圖1 圖像監控系統結構圖

    系統工作流程為：系統上電后，FPGA從外部EEPROM自動加載程序，I2C模塊對CIS進行初始化工作參數配置。 CIS向FPGA輸入圖像數據信號，FPGA將采集的原始數據(RAW)轉換成RGB格式，幀緩沖模塊(Frame Buffer)每次將相鄰兩幀圖像數據寫入SDRAM，然后比較這兩幀圖像的差值，如果差值大于設定的閾值，并且人體探測器輸出高電平，就認為檢測到了外 界場景的運動，系統會自動將捕獲的圖像輸出到SD卡進行存儲。圖2給出了系統的工作流程。

　　圖2 系統工作流程圖

　　圖3 電源電路原理圖

    系統硬件設計與實現

    圖像監控系統處理的數據量較大，同時還要滿足實時性要求，因此板載電路需要選用容量較大，速度較快的器件。本系統采集的 一幀圖像分辨率大小為640×480，色深是24位，檢測時需要在SDRAM緩存兩幀，因此SDRAM的容量必須大于1.8M字節 (640×480×3×2=1843200字節)，由于每個像素位寬為24位，同時NIOS是32位的處理器，所以SDRAM的位寬最好是32位。外部提 供給FPGA的晶振頻率必須大于CIS的像素時鐘25MHz�？紤]到檢測算法需要較多的邏輯資源，因此FPGA的片內LE要很豐富，另外FPGA的管腳必 須要滿足外部器件連接的要求，在本系統中要實現所有器件的I/O口相連，FPGA的I/O管腳必須大于150個。由于電路原理圖較多，這里只給出其中的一 部分。

    主控制芯片電路

    本系統選用的Cyclone系列FPGA器件的具體型號是EPlCl2Q240C8。邏輯資源達12060個邏輯單元 (LE，Logic Elements)，片內RAM的容量為239616bits。完全可以滿足圖像采集的設計要求。其內核供電采用1.5V、0.13um工藝，功耗較低。 Cyclone器件支持各種單端I/O接口標準，如3.3V、2.5V、1.8V、LVTTL、LVCMOS、SSTL。Cyclone器件具有兩個可編 程鎖相環(PLL)和八個全局時鐘線，提供健全的時鐘管理和頻率合成功能，實現最大的系統性能。Cyclone器件具有高級外部存儲器接口，允許設計者將 外部單數據率(SDR)SDRAM，雙數據率(DDR)、SDRAM和DDR FCRAM器件集成到復雜系統設計中，而不會降低數據訪問的性能。Cyclone系列FPGA器件基于一種全新的低成本架構，從設計之初就充分考慮了成本 的節省，因此可以為價格敏感的應用提供全新的可編程的解決方案。

    電源電路

    一般而言，FPGA器件出于芯片設計、多電平接口的需要，電源都分為兩組：VCCINT和VCCIO，即內核電源和 I/O電源，隨著芯片內部連線尺度的逐漸減小，核心電源電壓和接口電壓也越來越低。本設計中EPlCl2器件的VCCINT為1.5V，VCCIO為 3.3V。目前總的來說有三種電源解決方案，分別是線性穩壓器電源(LDO)、開關穩壓器電源和電源模塊。

    LDO線性穩壓器適用于降壓變換，具體效果與輸入/輸出電壓比有關。從基本原理來說，LDO根據負載電阻的變化情況來調節自身的內電阻，從而保證穩壓輸出端的電壓不變。其變換效率可以簡單地看作輸出與輸入電壓之比。

    由于采用線性調節原理，LDO本質上沒有輸出紋波。與LDO相比，DC/DC調整器輸出紋波電壓較大、瞬時恢復時間較 慢、容易產生電磁干擾(EMI)。系統電源輸入電壓為5V，3.3V電壓供電部分采用了ASl084；此外，對于FPGA的PLL工作需要的1.5V電源 部分，采用AMS1117-1.5 LDO來實現。

    由于Altera的PLL是模擬電路實現的，其對電源噪聲比較敏感，所以在設計PCB的時候，對給PU的供電部分要做一些特殊的處理。即使在設計中沒有用到PLL也必須給其供電。

    本系統中選用的EPlCl2F400C8芯片的輸入輸出接口電壓為3.3V，內核電壓降低到1.5V，這樣可以降低功 耗，有利于系統的穩定，但也給電源供電和其它芯片的選擇帶來了麻煩，系統中其它芯片的接口電壓必須為3.3V，至少也要兼容3.3V，電源設計中需要考慮 的主要問題是功率是否滿足的問題。

    SD卡接口電路

    在各種存儲設備中，SD卡不僅小巧，而且功耗很低，另外市面上常見SD卡的容量可達到2GB以上，因此非常適合用于對體 積和功耗要求嚴格的嵌入式圖像存儲。如圖4所示，SPI的兩個數據線DAT0、CMD分別接上拉電阻，這是為了使本電路可以與MMC卡的接口兼容�？ǖ墓� 電采用可控方式，這是為了防止SD/MMC卡進入不確定狀態時，可以通過對卡重新上電使卡復位而無需拔出卡�？煽仉娐凡捎肞型MOS管，由FPGA的 GPIO口SDPC進行控制，當SDPC輸出高電平時，MOS管關斷，不給卡供電；當SDPC輸出低電平時，MOS管開通，VCC3V3電源給卡供電�？� 慮管子開通時，漏極與源極之間的壓降要足夠小(保證SD/MMC卡的工作電壓在允許范圍內)，管子允許通過的電流也要滿足卡的要求，一般一張SD/MMC 卡工作時的最大電流通常為45mA左右，所以選用的MOS管要求允許通過100mA左右的電流。采用2SJ355的目的是當它開通時，管子上的壓降比較 小。

　　圖4 SD卡電路原理圖

　　圖5 圖像傳感器電路原理圖

    卡檢測電路包括兩部分：卡是否完全插入到卡座中和卡是否寫保護。檢測信號由卡座的兩個引腳以電平的方式輸出。當卡插入到 卡座并插入到位時，SDIN(第10腳)由于卡座內部觸點連接到GND，輸出低電平；當卡拔出時，該引腳由于上拉電阻R2的存在而輸出高電平，該輸出由 FPGA的輸入引腳來檢測�？ㄊ欠駥懕Ｗo的檢測與卡是否完全插入到卡座中的檢測原理是一樣的。

    圖像傳感器電路

    圖像的輸入端的采集模塊是CMOS圖像傳感器，與CCD傳感器相比，CMOS傳感器不僅成本遠低于CCD產品。而且 CMOS傳感器可輕松實現較高的集成度(比如CMOS被廣泛用于拍攝手機的微型攝像頭)，另外CMOS傳感器擁有超低功耗的優點。本系統圖像采集用于監控 領域，對于圖像的質量要求不是非常高，而對傳感器的功耗要求必須很低，而且可以直接輸出系統需要的數據格式，因此本系統的圖像采集部分選用了CMOS圖像 傳感器。

    在本設計中采用美光科技公司的MT9M011型號CMOS圖像傳感器，MT9M011是一塊SXGA(super extended graphics array，超大擴展圖像陣列)制式的1/3英寸主動式數字圖像傳感器，其有效圖像序列范圍為1280×1024，結合了眾多數碼照相機具有的功能如開窗 取景、行列跳躍、快照模式等等，可以通過一個兩線的串口來實現可編程操作，并且具有功耗低的特點。片載A／D轉換器將提供每像素I/O位的輸出精度，幀有 效和行有效信號將在特定的引腳上輸出，并且還配有像素時鐘同步響應的有效數據。

    NiOS系統軟件設計及實現

    本系統的軟件設計是以C語言形式在利用Altera公司的軟件集成開發工具IDE所提供的硬件配置模塊(HAL)的函數 支持下來完成編寫的。系統啟動后，進行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO緩沖器等。隨后系統進入主循環狀 態，并檢測按鍵。當檢測到DETECT時，啟動FIFO控制接口開始保存數據，當檢測到data_avaible有效時，啟動一次DMA傳輸。如此循環， 直到檢測到SAVE_DONE為止，就實現了圖像數據的采集功能。

    UART傳輸程序設計

    uart傳輸程序主要是將圖像數據傳輸到電腦進行顯示，用于調試。在PC端，通過串口接收工具和Matlab將圖像顯示 出來。Nios II系統中，可以通過ANSI C文件操作的標準庫函數來執行UART傳輸(uart 0)，即將UART作為文件來處理。執行過程為：打開外設UART并獲得外設旬柄——fopen()；向外寫入數據——fWrite()；關閉外設—— fclose()。

    SD存儲卡的程序設計

    SD卡程序設計包括驅動程序和文件系統兩部分設計。兩部分通過文件系統的接口函數相連接。驅動程序包括硬件配置模塊和命 令應用模塊。硬件配置模塊包括訪問SD卡的硬件環境配置、SPI接口實現通訊的基本函數、內存變量初始化以及SPI中斷的處理。命令應用模塊提供訪問SD 卡的讀數據函數和寫數據函數。

    結論

    本文主要完成了嵌入式圖像監控系統的設計，該系統克服了模擬圖像監控技術具有的弊端，在普通家庭、臨時性作業場所中具有 很強的應用前景。這些領域一般對視頻傳輸指標的要求不一定很高，但要求便于攜帶，同時功耗較小(例如臨時性場合等)，具有體積小、功耗低、成本低、速度 快、穩定性好等特點，可以有效地克服傳統的基于計算機的監控系統的缺點。系統可做為一個智能部件“嵌入”到各種應用系統中，如將其配上網絡接口接上計算機 系統，即可構成一個監控網絡系統，是一種相對獨立的OEM部件。<