| 采用FPGA集成DSP功能提高成像应用的性能 |
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| 作者：未知 来源：Altera 点击数：86 更新时间：2008-5-21 |
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在Cyclone FPGA 中实现Altera Nios处理器的解决方案，其最新的低成本FPGA 能够将一个完整的32 位RISC 处理器和存储器模块、PLL以及大量的逻辑资源集成到一起，实现专用视频信号处理功能。在FPGA中集成PLL可以解决与电路板级多时钟系统相关的大量问题。
Intevac 是商用和军用市场光学产品的开发商，其一款高性能超低亮度紧凑型摄像机，最初采用了流行的数字信号处理器、几片ASSP 和外部存储器件。由于系统对性能的需求越来越高，Intevac 公司在其NightVista 嵌入式电子系统产品的开发中，采用了--在可编程逻辑中实现可配置软核处理器的替代方案，从而实现了目标性能。在单片FPGA 中集成了分立元件和数字信号处理(DSP) 功能，将功耗降低了近80%，将五块元件板缩减到一块，明显降低了成本、并缩短了开发时间。
基于DSP 处理器的方法
NightVista 电子系统的功能包括：
摄像机上电测试和初始化
视频传感器校准和特征参数测试
图像增强管理的自动增益控制
图形、文本和水印随屏显示
实时自适应对比度调整
Gamma 校正，视频停帧捕获，并存储至闪存。
实时时钟
用户定义的可编程预置配置
通过RS-232与主机PC进行通信
摄像机功能和参数远程更新，摄像机至主机PC视频数据传送。
Intevac 公司NightVista 电子产品的开发最初是采用数字信号处理器。除了处理器之外，还包括NTSC 视频编码器、一个RS-232 接口、多个锁相环(PLL)、实现各种逻辑功能的CPLD以及几个存储器(FIFO、SDRAM 和闪存)几个主要部件。这些部件需要四个不同的工作电压( 四个电源稳压器和PCB 板层)、四个独立的时钟系统以及各自的振荡器和电源去耦电路。这些部件共占用了五块PCB，每一块电路板大约两平方英寸，堆叠在该摄像机两英寸见方的外壳中。在硬件开发几个月之后，该解决方案难以达到Intevac NightVista 设定的性能目标，重量和功耗也无法令人满意。而且，高密度堆叠的PCB 功耗很大，带来了热管理问题。于是中断了基于数字信号处理器的设计，转而采用基于FPGA 的混合逻辑和软核微处理器方案。通过对多种因素的综合分析后，Intevac公司决定采用Altera CycloneⓇFPGA 中实现Altera Nios处理器的解决方案。
FPGA的功能如图1 所示。
在使用Altera 的解决方案后，首先确定了现有的DSP 软件在多大程度上能够导入到Nios 处理器中。FPGA 摄像机设计中的Nios 处理器扮演了完全不同的角色，只能通过RS-232 串行通信协议与主机PC 进行通信，可以重新使用视频传感器配置协议。Nios处理器的软件开发直观明了，通过使用Nios 开发板， 几个小时之内便可以建立处理器和主机PC 之间的通信。Nios 处理器的可配置特性可以很好的控制信号时序，一般只需要对FPGA 设计稍做改动便能够达到时序目标要求。同一FPGA 环境下硬件和固件处理的集成度非常高，能够迅速简单的实现最佳控制和视频处理任务。
基于FPGA 的方案实现了定制化，提升了性能
基于FPGA 的方案， Intevac 还开发了定制功能和外设，从而贴近自己的需求。一旦在软件中碰到瓶颈，硬件小组便开发一个协处理器来提高性能，一般在一个小时内就可以做到这一点。硬件小组设计了一个定制视频编码器、用于缓冲视频数据的FIFO 模块，以及专用DMA 控制器为编码器提供稳定的视频数据流，避免了使用外部编码器和FIFO 缓冲。此外，构建了一个定制SDRAM 控制器，使所有的视频、属性、Nios处理器命令读取和数据存储都可以共享同一存储器，从而提高了性能。某些功能需要自己的时钟，因此，采用了FPGA 的板上PLL，从一个主时钟中产生三个不同的时钟：第一个用于视频编码器，第二个用于SDRAM 时序，第三个用于外部象素传感器。
通过集成提高性能
在实现了以前所用外部器件的功能以后， Intevac 另增加了最初DSP 处理器无法实现的功能。加入了视频测试模式生成器来仿真摄像机的工作，帮助软件小组完成各种视频处理算法，使系统能够协调工作。加入的另一功能是统计生成器，用于分析视频数据的特性，以便进行图像增强和亮度处理。图像统计生成器需要的数学运算如果在软件中实现，速度会很慢。而使用了FPGA 中的逻辑资源来实现该功能，设置完成后，将结果传送给处理器。
电路板制好后，在几个小时内便能完成开发板软件代码传送、代码设置，并在新板上运行。并通过进一步调试、优化了设计。使用Cyclone 器件和Nios 软核处理器，将五块电路板缩减为一块。这种集成方式减轻了摄像机重量，所需支持电压由四个减少到两个，功耗降低了近80%。
轻松过渡到RoHS
Altera 在业界提供的RoHS 兼容产品范围很广，1200 多个产品具有无铅封装。 2002 年以来Altera已经发售了2 千5 百万片RoHS 兼容产品。Altera 的器件符合EU Directive 在有害物质使用限制 ( “RoHS Directive” )No.2002/95 中所规定的最大浓度值，包括铅(Pb)、汞、镉、六价铬、多溴化联苯(PBB) 以及多溴化联二苯(PBDE) 等。采用Altera 的PLD 集成不兼容的ASSP，可以轻松完成RoHS 过渡。
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