如何設(shè)計(jì)一個(gè)基于FPGA的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)？

目前，圖像監(jiān)控系統(tǒng)大多采用PC和視頻采集卡作為系統(tǒng)主要部分，基于嵌入式技術(shù)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備在我國(guó)還只是起步階段，沒有成熟的產(chǎn)品應(yīng)用。這一現(xiàn)狀的根本原因就是我國(guó)在開發(fā)這類產(chǎn)品時(shí)，沒有統(tǒng)一的開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)和共用的開發(fā)平臺(tái)，而且沒有可靠的功能和性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)企業(yè)的開發(fā)技術(shù)力量分散，極大的影響了該類產(chǎn)品開發(fā)的效率和可靠性。而制造出來的產(chǎn)品同國(guó)外同類產(chǎn)品相比，功能相差太大，沒有競(jìng)爭(zhēng)力，市場(chǎng)基本上被國(guó)外公司所占領(lǐng)。因此，開發(fā)一個(gè)該類嵌入式系統(tǒng)勢(shì)在必行。

系統(tǒng)總體方案

為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)圖像報(bào)警和圖像采集，本文設(shè)計(jì)了動(dòng)體檢測(cè)算法，這是因?yàn)榻^大多數(shù)情況下我們只對(duì)監(jiān)控區(qū)域中運(yùn)動(dòng)的物體感興趣，這樣可以過濾掉只包含靜態(tài)背景的圖像，從而降低了對(duì)有限的嵌入式硬件資源的消耗。由于活動(dòng)物體大多是人，而且這也是圖像監(jiān)控的目標(biāo)，為此加入了人體信號(hào)探測(cè)器，用以輔助動(dòng)體檢測(cè)，以達(dá)到降低圖像報(bào)警誤報(bào)率的目的。本系統(tǒng)主要集成了圖像采集、控制和存儲(chǔ)等器件或芯片，組成了以FPGA為控制核心的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。

圖1 圖像監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作流程為：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA從外部EEPROM自動(dòng)加載程序，I2C模塊對(duì)CIS進(jìn)行初始化工作參數(shù)配置。CIS向FPGA輸入圖像數(shù)據(jù)信號(hào)，F(xiàn)PGA將采集的原始數(shù)據(jù)（RAW）轉(zhuǎn)換成RGB格式，幀緩沖模塊（Frame Buffer）每次將相鄰兩幀圖像數(shù)據(jù)寫入SDRAM，然后比較這兩幀圖像的差值，如果差值大于設(shè)定的閾值，并且人體探測(cè)器輸出高電平，就認(rèn)為檢測(cè)到了外界場(chǎng)景的運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將捕獲的圖像輸出到SD卡進(jìn)行存儲(chǔ)。圖2給出了系統(tǒng)的工作流程。

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

圖3 電源電路原理圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

圖像監(jiān)控系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量較大，同時(shí)還要滿足實(shí)時(shí)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(tǒng)采集的一幀圖像分辨率大小為640×480，色深是24位，檢測(cè)時(shí)需要在SDRAM緩存兩幀，因此SDRAM的容量必須大于1.8M字節(jié)（640×480×3×2=1843200字節(jié)），由于每個(gè)像素位寬為24位，同時(shí)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(shí)鐘25MHz?？紤]到檢測(cè)算法需要較多的邏輯資源，因此FPGA的片內(nèi)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(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)所有器件的I/O口相連，F(xiàn)PGA的I/O管腳必須大于150個(gè)。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(tǒng)選用的Cyclone系列FPGA器件的具體型號(hào)是EPlCl2Q240C8。邏輯資源達(dá)12060個(gè)邏輯單元（LE，Logic Elements），片內(nèi)RAM的容量為239616bits。完全可以滿足圖像采集的設(shè)計(jì)要求。其內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，如3.3V、2.5V、1.8V、LVTTL、LVCMOS、SSTL。Cyclone器件具有兩個(gè)可編程鎖相環(huán)（PLL）和八個(gè)全局時(shí)鐘線，提供健全的時(shí)鐘管理和頻率合成功能，實(shí)現(xiàn)最大的系統(tǒng)性能。Cyclone器件具有高級(jí)外部存儲(chǔ)器接口，允許設(shè)計(jì)者將外部單數(shù)據(jù)率（SDR）SDRAM，雙數(shù)據(jù)率（DDR）、SDRAM和DDR FCRAM器件集成到復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，而不會(huì)降低數(shù)據(jù)訪問的性能。Cyclone系列FPGA器件基于一種全新的低成本架構(gòu)，從設(shè)計(jì)之初就充分考慮了成本的節(jié)省，因此可以為價(jià)格敏感的應(yīng)用提供全新的可編程的解決方案。

電源電路

一般而言，F(xiàn)PGA器件出于芯片設(shè)計(jì)、多電平接口的需要，電源都分為兩組：VCCINT和VCCIO，即內(nèi)核電源和I/O電源，隨著芯片內(nèi)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(shè)計(jì)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(wěn)壓器電源（LDO）、開關(guān)穩(wěn)壓器電源和電源模塊。

LDO線性穩(wěn)壓器適用于降壓變換，具體效果與輸入/輸出電壓比有關(guān)。從基本原理來說，LDO根據(jù)負(fù)載電阻的變化情況來調(diào)節(jié)自身的內(nèi)電阻，從而保證穩(wěn)壓輸出端的電壓不變。其變換效率可以簡(jiǎn)單地看作輸出與輸入電壓之比。

由于采用線性調(diào)節(jié)原理，LDO本質(zhì)上沒有輸出紋波。與LDO相比，DC/DC調(diào)整器輸出紋波電壓較大、瞬時(shí)恢復(fù)時(shí)間較慢、容易產(chǎn)生電磁干擾（EMI）。系統(tǒng)電源輸入電壓為5V，3.3V電壓供電部分采用了ASl084；此外，對(duì)于FPGA的PLL工作需要的1.5V電源部分，采用AMS1117-1.5 LDO來實(shí)現(xiàn)。

由于Altera的PLL是模擬電路實(shí)現(xiàn)的，其對(duì)電源噪聲比較敏感，所以在設(shè)計(jì)PCB的時(shí)候，對(duì)給PU的供電部分要做一些特殊的處理。即使在設(shè)計(jì)中沒有用到PLL也必須給其供電。

本系統(tǒng)中選用的EPlCl2F400C8芯片的輸入輸出接口電壓為3.3V，內(nèi)核電壓降低到1.5V，這樣可以降低功耗，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定，但也給電源供電和其它芯片的選擇帶來了麻煩，系統(tǒng)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(shè)計(jì)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(chǔ)設(shè)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(dá)到2GB以上，因此非常適合用于對(duì)體積和功耗要求嚴(yán)格的嵌入式圖像存儲(chǔ)。如圖4所示，SPI的兩個(gè)數(shù)據(jù)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╇姴捎每煽胤绞?，這是為了防止SD/MMC卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可以通過對(duì)卡重新上電使卡復(fù)位而無需拔出卡?？煽仉娐凡捎肞型MOS管，由FPGA的GPIO口SDPC進(jìn)行控制，當(dāng)SDPC輸出高電平時(shí)，MOS管關(guān)斷，不給卡供電；當(dāng)SDPC輸出低電平時(shí)，MOS管開通，VCC3V3電源給卡供電?？紤]管子開通時(shí)，漏極與源極之間的壓降要足夠?。ūＷCSD/MMC卡的工作電壓在允許范圍內(nèi)），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(shí)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(dāng)它開通時(shí)，管子上的壓降比較小。

卡檢測(cè)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(hù)。檢測(cè)信號(hào)由卡座的兩個(gè)引腳以電平的方式輸出。當(dāng)卡插入到卡座并插入到位時(shí)，SDIN（第10腳）由于卡座內(nèi)部觸點(diǎn)連接到GND，輸出低電平；當(dāng)卡拔出時(shí)，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(cè)?？ㄊ欠駥懕Ｗo(hù)的檢測(cè)與卡是否完全插入到卡座中的檢測(cè)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(yuǎn)低于CCD產(chǎn)品。而且CMOS傳感器可輕松實(shí)現(xiàn)較高的集成度（比如CMOS被廣泛用于拍攝手機(jī)的微型攝像頭），另外CMOS傳感器擁有超低功耗的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)圖像采集用于監(jiān)控領(lǐng)域，對(duì)于圖像的質(zhì)量要求不是非常高，而對(duì)傳感器的功耗要求必須很低，而且可以直接輸出系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)格式，因此本系統(tǒng)的圖像采集部分選用了CMOS圖像傳感器。

在本設(shè)計(jì)中采用美光科技公司的MT9M011型號(hào)CMOS圖像傳感器，MT9M011是一塊SXGA（super extended graphics array，超大擴(kuò)展圖像陣列）制式的1/3英寸主動(dòng)式數(shù)字圖像傳感器，其有效圖像序列范圍為1280×1024，結(jié)合了眾多數(shù)碼照相機(jī)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(gè)兩線的串口來實(shí)現(xiàn)可編程操作，并且具有功耗低的特點(diǎn)。片載A／D轉(zhuǎn)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(hào)將在特定的引腳上輸出，并且還配有像素時(shí)鐘同步響應(yīng)的有效數(shù)據(jù)。

NiOS系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是以C語言形式在利用Altera公司的軟件集成開發(fā)工具IDE所提供的硬件配置模塊（HAL）的函數(shù)支持下來完成編寫的。系統(tǒng)啟動(dòng)后，進(jìn)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(tǒng)進(jìn)入主循環(huán)狀態(tài)，并檢測(cè)按鍵。當(dāng)檢測(cè)到DETECT時(shí)，啟動(dòng)FIFO控制接口開始保存數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到data_avaible有效時(shí)，啟動(dòng)一次DMA傳輸。如此循環(huán)，直到檢測(cè)到SAVE_DONE為止，就實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的采集功能。

UART傳輸程序設(shè)計(jì)

uart傳輸程序主要是將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦進(jìn)行顯示，用于調(diào)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(tǒng)中，可以通過ANSI C文件操作的標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)來執(zhí)行UART傳輸（uart 0），即將UART作為文件來處理。執(zhí)行過程為：打開外設(shè)UART并獲得外設(shè)旬柄——fopen（）；向外寫入數(shù)據(jù)——fWrite（）；關(guān)閉外設(shè)——fclose（）。

SD存儲(chǔ)卡的程序設(shè)計(jì)

SD卡程序設(shè)計(jì)包括驅(qū)動(dòng)程序和文件系統(tǒng)兩部分設(shè)計(jì)。兩部分通過文件系統(tǒng)的接口函數(shù)相連接。驅(qū)動(dòng)程序包括硬件配置模塊和命令應(yīng)用模塊。硬件配置模塊包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)、內(nèi)存變量初始化以及SPI中斷的處理。命令應(yīng)用模塊提供訪問SD卡的讀數(shù)據(jù)函數(shù)和寫數(shù)據(jù)函數(shù)。

結(jié)論

本文主要完成了嵌入式圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)克服了模擬圖像監(jiān)控技術(shù)具有的弊端，在普通家庭、臨時(shí)性作業(yè)場(chǎng)所中具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。這些領(lǐng)域一般對(duì)視頻傳輸指標(biāo)的要求不一定很高，但要求便于攜帶，同時(shí)功耗較?。ɡ缗R時(shí)性場(chǎng)合等），具有體積小、功耗低、成本低、速度快、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以有效地克服傳統(tǒng)的基于計(jì)算機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)。系統(tǒng)可做為一個(gè)智能部件“嵌入”到各種應(yīng)用系統(tǒng)中，如將其配上網(wǎng)絡(luò)接口接上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即可構(gòu)成一個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是一種相對(duì)獨(dú)立的OEM部件。