基于FPGA的DSP功能提高图像处理的实例分析

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intevac是商用和军用市场光学产品的前沿开发商。本文介绍该公司nightvista嵌入式电子系统的开发，该产品是高性能超低亮度紧凑型摄像机。该摄像机最初采用了流行的数字信号处理器、几个assp和外部存储器件。系统对性能的需求越来越高，工程师团队决定试验一种替代方案——在可编程逻辑中实现可配置软核处理器。这一决定带来了以下好处：
达到了目标所要求的性能
在单个fpga中集成了分立的元件和数字信号处理(dsp)功能
功耗降低了近80%
将五块元件板缩减到一块，显著降低了成本
缩短了开发时间
dsp基于处理器的实现方法
nightvista电子系统的部分功能包括：
摄像机上电测试和初始化
视频传感校准和表征
图像增强管理的自动增益控制
图形、文本和水印屏显示功能
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开发nightvista电子产品的最初方法是采用数字信号处理器。除了处理器之外，还需要其他几个主要部件，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)。此外，这些部件需要四个不同的工作电压(需要四个电源稳压器和不同的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。总体上，这些部件占用了五块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。
硬件开发了几个月之后，大家清楚的认识到该解决方案难以达到intevac为nightvista设定的性能目标，重量和功耗令人难以接受。而且，由于高密度堆叠的pcb功耗很大，带来了明显的热管理问题。intevac决定中断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。intevac并没有使用集成微处理器可编程逻辑的经验，但是一个使用altera演示板的评估方案很有吸引力，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。
工程师团队考虑了多种因素，包括：
多种fpga系列的性能和特性
提供知识产权(ip)内核
多个供应商的器件集成技术和业务能力
提供成熟的硬件和软件开发工具
供应商支持资源的可靠性
分析了以上因素后，公司决定购买在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。

图1 intevac nightvista摄像机中cyclone系列fpga功能框图

设计转换
决定使用altera的解决方案后，intevac必须确定现有的dsp软件在多大程度上能够导入到nios处理器中。公司已经投入了18个月的人工付出进行前面的数字信号处理器软件开发，团队现在面临的问题是将图像数据通过处理器传送至输出，并没有进行视频处理。fpga摄像机中的nios处理器具有不同的特性，只能通过rs-232串行通信协议与主机pc和视频传感器进行通信。幸运的是，nios处理器的软件开发直观明了，通过使用nios开发板，intevac在几个小时之内便建立了处理器和主机pc之间的通信。
新的fpga电路板在一个月内完成，在这段时期内，intevac继续采用nios处理器开发板编写、调试软件代码。intevac最初计划采用数字信号处理器的实时操作系统(rtos)来管理复杂的视频处理算法时序。由于nios处理器并不包括现成的rtos，软件小组并不能确定是否能够达到所有的时序要求。与硬件小组讨论后，软件小组很快发现nios处理器的配置功能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目标时序要求。同一fpga环境下硬件和固件处理具有高度集成特性，能够迅速简单的实现最佳控制和视频处理任务。  
fpga方案实现了定制化，提升了性能
进一步的深入研究后，intevac开始开发定制功能和外设，以贴近自己的需求。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使用同一存储器，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。  

通过集成提高了性能
在实现了以前所用外部器件的功能以后，intevac还增加了最初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，使软件小组能够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，那么速度很慢。intevac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，在几个小时内便完成了开发板软件代码传送、代码设置，并在新板上运行。后面的几个月中，intevac在进行硬件和软件开发的同时，进一步调试、优化了设计。虽然对处理器和fpga设计的其他部分进行了多次修改，但是，并没有影响电路板布板。最后，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％。使用相同的pcb设置，intevac还能够高效的生产多种产品。

采用altera无铅产品轻松达到rohs
altera在业界提供的无铅产品范围最广，1200多个产品具有无铅封装。altera作为环境无污染可编程逻辑解决方案的优秀供应商，2002年以来已经发售了2千5百万片无铅产品。altera的无铅器件符合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集成非兼容的assp功能，可以轻松完成您的rohs转换。

  
结语
设计简化后，intevac达到了自己的性能目标，极大的降低了元件和生产成本，提高了nightvista的质量和可靠性。在最初的产品规范基础上，该解决方案还增加了更多的功能。intevac在fpga中留出了逻辑资源，这样，现场应用时，能够进一步对摄像机进行更新。这一解决方案帮助intevac研究并完善了速度更快、效率更高的设计开发流程，为今后的产品开发节省了大量的时间和资源。