圖像采集是安全和監(jiān)控視頻鏈中最關(guān)鍵的部分，這是因?yàn)閷τ趶囊曨l流提取有效信息的圖像信號處理能力是與獲取的圖像質(zhì)量密切相關(guān)的，或許看似深?yuàn)W，其實(shí)本質(zhì)上是傳感器質(zhì)量和傳感器輸出處理質(zhì)量的組合。安全監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是圖像處理功能向網(wǎng)絡(luò)邊緣遷移-即移到攝像機(jī)里面， 靠近傳感器。
靈活性和效率是產(chǎn)品開發(fā)周期中的最高目標(biāo)。本文探討了在FPGA內(nèi)針對CMOS圖像傳感器的微控制器和信號處理單元的整合。就其性質(zhì)而言，FPGA和微控制器相當(dāng)靈活，但問題是使用這些器件是否會形成一個(gè)有效率的設(shè)計(jì)？
一般而言，一個(gè)簡單的規(guī)則是用FPGA取代標(biāo)準(zhǔn)的微控制器不能夠產(chǎn)生一個(gè)節(jié)約成本的替代方案。只有不能通過在微控制器內(nèi)集成外設(shè)來滿足設(shè)計(jì)的邊界條件情況下，FPGA的解決方案才變得更加具有吸引力，例如PWM通道的數(shù)量，計(jì)數(shù)器/定時(shí)器或I/O端口的數(shù)量。
同樣，DSP算法轉(zhuǎn)移至FPGA可顯著提升數(shù)據(jù)吞吐量和控制功能的執(zhí)行速度。然而，可能會有一些靈活性方面的損失。不過，通常DSP開發(fā)人員可以利用FPGA的優(yōu)勢，因?yàn)檫@些功能可以用VHDL或Verilog HDL來描述并直接用硬件實(shí)現(xiàn)。即使一些模塊是預(yù)制的IP模塊，這個(gè)任務(wù)仍然是集成這些模塊到一個(gè)完整的設(shè)計(jì)之中。
Helion是一家致力于利用FPGA和DSP從事圖像信號處理領(lǐng)域開發(fā)的公司。他們的核心知識在于驅(qū)動和接口至CMOS圖像傳感器，動態(tài)擴(kuò)展和進(jìn)行信號預(yù)處理到TFT的領(lǐng)域。使用Helion系統(tǒng)意味著決定圖像質(zhì)量的很多功能可以直接在攝像機(jī)中實(shí)現(xiàn)。根據(jù)系統(tǒng)要求，這些解決方案基于DSP，FPGA或兩者兼而有之。
Helion已經(jīng)選擇了萊迪思半導(dǎo)體公司的低成本系列FPGA技術(shù)。LatticeXP2和MachXO是非易失器件，單芯片解決方案特別適用于緊湊的攝像機(jī)設(shè)計(jì)。由于LatticeXP2包括RAM塊和DSP模塊，可實(shí)現(xiàn)最佳圖像處理計(jì)算。如果只需要一個(gè)簡單的傳感器和控制功能，MachXO是最節(jié)省成本的解決方案。萊迪思還有SRAM FPGA系列，LatticeECP2、ECP2M和ECP3。這些器件中還包括DSP塊，以及1.5MBit至 5.3MBit內(nèi)部存儲器的“M”類型。
Helion的大多數(shù)項(xiàng)目也使用了32位微控制器－LatticeMico32，它是免費(fèi)提供的，采用開發(fā)環(huán)境為開放源代碼許可證模式。這種軟核的主要特點(diǎn)是使關(guān)鍵控制路徑的時(shí)間更少，通過FPGA的數(shù)據(jù)是直接通過獨(dú)立的布線資源。
用Mico System-Builder (MSB)軟件構(gòu)建該項(xiàng)目的特殊Mico32配置，裝配各種可用元件，包括用戶的特定IP模塊。對于這些IP模塊和用戶特殊的外設(shè)的互連，Mico32 使用按照Wishbone規(guī)范操作的總線接口。 MSB自動互連設(shè)計(jì)的內(nèi)部元件，當(dāng)所需的IP塊都在MSB內(nèi)時(shí)，無需編寫VHDL或Verilog HDL就能完成FPGA設(shè)計(jì)。
圖1 Mico System-Builder屏幕
一個(gè)簡單的例子可以說明基于Mico32方法的優(yōu)勢。對于圖片位置的控制，通過I2C總線用外部微處理器給FPGA中的顯示控制器規(guī)定路線。總共有256個(gè)控制和參數(shù)寄存器。為了避免電視干擾出現(xiàn)，通過I2C寫的參數(shù)必須在消隱期間處理。數(shù)據(jù)集輸入一致且可以被激活時(shí)，該處理器釋放控制寄存器。進(jìn)一步通過寄存器，處理器獲得當(dāng)前顯示控制器的行數(shù)。
這些功能可以在FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)直接解決。針對 IC2寄存器組的監(jiān)控，設(shè)計(jì)人員需要IC2從器件（slave）、I/O端口、狀態(tài)機(jī)，并復(fù)制這些參數(shù)，針對訪問IC2從器件（slave）的內(nèi)部存儲器接口，提供仲裁。對于用VHDL或VerilogHDL開發(fā)FPGA所花費(fèi)的時(shí)間相對比較多，代碼的可重用性受限于HDL編碼控制器。
另一種Helion Mico32解決方案利用已經(jīng)由萊迪思MSB提供的元件：I2C從器件（slave）、GPIO、存儲器、DMA和用戶特殊的元件，諸如端口監(jiān)控到啟動存儲器傳輸。MSB提供了針對 “共享總線”或” Slave Side-Arbitration “配置器件的功能，這意味著以正確的形式自動產(chǎn)生仲裁。針對在MSB中組合這些元件，使用這種方法在幾分鐘之內(nèi)就可產(chǎn)生FPGA代碼。 于是針對Mico32，可以編寫C代碼，用所提供的調(diào)試手段進(jìn)行檢查。所有的元件都很容易重復(fù)使用。
用這個(gè)例子，更多為數(shù)據(jù)路徑而準(zhǔn)備的IP模塊可以組合在MSB中，例如，色彩流水線或圖像傳感器接口。對于圖像傳輸，Slave Side-Arbitration是最佳的，因?yàn)?/span>MSB產(chǎn)生自己的Wishbone總線。用這種方法，數(shù)據(jù)流不是限于通過微控制器和仲裁邏輯，在一個(gè)實(shí)體中所有元件均是自動連接的，即對片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想情況。MSB中更復(fù)雜的設(shè)計(jì)說明了這個(gè)觀點(diǎn)，系統(tǒng)的描述大大超過在第一個(gè)例子中用VHDL或VerilogHDL的要求。
圖2 Mico32調(diào)試屏幕
基于MSB提供的簡捷和節(jié)省時(shí)間的處理方式， Helion整合了圖像傳感器驅(qū)動電路的大部分和以其自己的元件形式的數(shù)據(jù)預(yù)處理，這些元件可作為IP核。 并以模塊化的方式和MSB中驗(yàn)證的功能設(shè)想和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)。圖3為一個(gè)實(shí)例的框圖。
圖3系統(tǒng)實(shí)例
除了MSB，對于整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，還需要萊迪思的ispLEVER FPGA設(shè)計(jì)軟件。由MSB產(chǎn)生的Verilog HDL代碼用ispLEVER進(jìn)行綜合和實(shí)現(xiàn)。該工具中包含了Reveal邏輯分析儀，調(diào)試μC的代碼后，用戶選擇對數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析或?qū)崟r(shí)控制路徑進(jìn)行檢查。Reveal提供了大量的觸發(fā)和跟蹤選項(xiàng)。完整的圖像處理不是完全逼真的，對μC的源代碼級調(diào)試不能包括FPGA中的所有事件或數(shù)據(jù)序列。然而使用觸發(fā)信號和邏輯組合的方式， Reveal可以實(shí)時(shí)記錄時(shí)序并將結(jié)果傳送至主機(jī)。例如，如果設(shè)計(jì)人員考慮設(shè)置Mico32位的端口位作為Reveal的觸發(fā)，并將此與控制的特定條件和數(shù)據(jù)信號相結(jié)合，就可能用μC軟件很快地切換邏輯分析儀，這也適用于調(diào)試器。
總結(jié)
MICO System Builder能夠分擔(dān)通常所做的工作。FPGA設(shè)計(jì)人員指定自己的IP模塊并集成這些組元件至MSB。該軟件開發(fā)者將項(xiàng)目中的元件連接在一起，針對Mico32開發(fā)C/C++程序。通過靈巧的劃分與分配數(shù)據(jù)流到自己的總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)吞吐量。在開發(fā)階段除了靈活性之外，微控制器帶來了FPGA高效率的優(yōu)點(diǎn)。另一方面在許多情況下，控制的效率和預(yù)處理允許跟隨信號鏈后進(jìn)一步進(jìn)行DSP處理，或選擇更小更節(jié)省成本的DSP。