【正文】 驗證設計的正確性。在 PCB完成以后，還可以利用 FPGA的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用 FPGA來開 發(fā)數(shù)字電 路，可以大大縮短設計時間，減少 PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。 FPGA是由存放在片內(nèi) RAM中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時， FPGA芯片將 EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM中，配置完成后， FPGA進入工 作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此， FPGA 能夠反復使用。 FPGA的編程無須專用的 FPGA編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM編程器即可。當需要修改 FPGA功能時，只需換一片 EPROM即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功 能。因此， FPGA 的使用非常靈活?？梢哉f， FPGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。 與單片機相比， FPGA具有以下優(yōu)點： 1),FPGA運行速度快 ： FPGA內(nèi)部集成鎖項環(huán) ,可以把外部時鐘倍頻 ,核心頻率可 5 以到幾百 M,而單片機運行速度低的多 .在高速場合 ,單片機無法代替 FPGA。 2),FPGA管腳多 ,容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng) ： 單片機 IO口有限 ,而 FPGA動輒數(shù)百 IO,可以方便連接外設 .比如一個系統(tǒng)有多路 AD,DA,單片機要 進行仔細的資源分配 ,總線隔離 ,而 FPGA由于豐富的 IO資源 ,可以很容易用不同 IO 連接各外設。 3),FPGA 內(nèi)部程序并行運行 ,有處理更復雜功能的能力 ： 單片機程序是串行執(zhí)行的 ,執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條 ,在處理突發(fā)事件時只能調(diào)用有限的中斷資源 。而 FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行 ,可以同時處理不同任務 ,這就導致了 FPGA工作更有效率。 4),FPGA 有大量軟核 ,可以方便進行二次開發(fā) ： FPGA 甚至包含單片機和 DSP 軟核 ,并且 IO 數(shù)僅受 FPGA 自身 IO 限制 ,所以 ,FPGA 又是單片機和 DSP 的超集 ,也就是說 ,單片機和 DSP能實現(xiàn)的功能 ,FPGA一般都能實現(xiàn)。 FPGA作為 RAM 查找表 (LookUpTable) 簡稱為 LUT， LUT 本質上就是一個 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 輸入的 LUT，所以每一個 LUT 可以看成一個有 4 位地址線的 RAM。 當用戶通過原理圖或 HDL 語言描述了一個邏輯電路以后， PLD/FPGA 開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表 ( 即結果 ) 事先寫入 RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內(nèi)容，然后輸出即可。從表中可以看到， LUT 具有和邏輯電路相同的功能。實際上， LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復雜的時序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設計領域。 6 第 2 章 系統(tǒng)方案 FPGA開發(fā)環(huán)境 數(shù)字電子領域中三種基本的器件類型為：存儲器件、微處理器和邏輯器件。其中邏輯器件可分為兩大類，即固定邏輯器件和可編程邏輯器件。固定邏輯器件中的電路是永久性的，用于完成一種或一組功能。在可編程邏 輯器件中，可以在任何時候對此類器件進行修改，以完成多種不同的功能。可編程邏輯器件的兩個主要類型是：現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)和復雜可編程邏輯器件 (CPLD)，與 CPLD 相比， FPGA 可提供更高的邏輯密度、更豐富的特性和更高的性能。 可編程邏輯器件與固定邏輯器件相比，其優(yōu)點主要包括以下幾個方面： (1)在設計過程中為客戶提供了更大的靈活性，因為對于可編程邏輯器件來說，設計反復只需要簡單地改變編程文件就可以了，而且設計改變的結果可立即在工作器件中看到； (2)不需要漫長的前置時間來制造原型或正式產(chǎn)品，因為可編 程邏輯器件已經(jīng)十分活躍于市場中，購買方便； (3)不需要客戶支付高昂的一次性工程費用 (Non． Recurdng Enginneering,M迎 )和購買昂貴的掩膜組，因為可以在同一個芯片中重復編程，實現(xiàn)不同的功能，這樣便可延長產(chǎn)品的使用周期，從而分攤購買芯片時所花的成本； (4)允許客戶在需要時僅定購所需要的數(shù)量，從而使客戶可控庫存； (5)可以進行重新編程，有了可編程邏輯器件之后，對于設備新功能的增加和升級，只需要將新的編程文件下載到可編程邏輯器件中，就可以在系統(tǒng)創(chuàng)建新的硬件邏輯； (6)有越來越多的知識產(chǎn) 權 (口 )核心庫的支持。用戶可以利用這些預定義和預測試的軟件模塊在可編程邏輯器件內(nèi)迅速實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 可編程邏輯器件的價值在于其能夠大大縮短電子產(chǎn)品制造商的開發(fā)周期，節(jié)約開發(fā)成本，隨著可編程邏輯器件集成度的提高，成本的降低，更多口核的面市，可編程邏輯器件一定會在數(shù)字設計領域進一步普及。 圖像采集 7 圖像傳感器 COMS圖像傳感器是近幾年發(fā)展較快的新型圖像傳感器，由于采用了相同 COMS技術，因此可以將像素陣列與外圍支持電路集成在同一塊芯片上，是一個完整的圖像系統(tǒng)。圖像傳感器，體積小、工作 電壓低，提供單片 VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過 SCCB 總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率 8位影響數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品 VGA圖像最高達到 30幀 /秒。用戶可以完全控制圖像質量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過 SCCB接口編程。 OmmiVision 圖像傳感器應用獨有的傳感器技術，通過減少或消除光學或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。圖像采集卡是常用的圖像輸入設備，通常占用 PC機總線的一個插 槽。它主要包括圖像存儲器單元、 CMOS攝像頭接口、 PC機總線接口等。這里提出一種適用于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字圖像采集模塊設計方案，實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、 “乒乓 ”模式圖像數(shù)據(jù)的緩存、圖像數(shù)據(jù)的采集模塊外部接口，并保證圖像采集的高速性和連續(xù)性。 圖像采集系統(tǒng) 基于 FPGA的 CMOS圖像傳感器采集系統(tǒng)如圖 。該系統(tǒng)包括 OV7670圖像數(shù)據(jù)采集板、 FPGA的圖像數(shù)據(jù)接收緩存板、兩片 SRAM構成的高速緩存以及系統(tǒng)外部接口。 OV7670圖像數(shù)據(jù)采集板主要完成圖像數(shù)據(jù)采集，其圖像數(shù)據(jù)總線、幀圖像數(shù)據(jù)時鐘、幀同步信 號、行同步信號與 FPGA圖像數(shù)據(jù)接收緩存板相連， FPGA協(xié)調(diào)兩片 SRAM“乒乓模式 ”的讀寫操作，并完成模塊的外部接口。 8 地址 數(shù)據(jù) / 總線 地址 WR RD CS 總線 圖像數(shù)據(jù) READY Pclk Dclk Vsync Hsync 數(shù)據(jù)總線 地址 數(shù)據(jù) / 總線 地址 WR RD CS 總線 圖 圖像采集系統(tǒng)框圖 數(shù)據(jù)接口設計 基于 FPGA的 CMOS圖像傳感器系統(tǒng)接口如圖 。通過對輸入信號、輸出信號、數(shù)據(jù)總線和地址總線的鏈接， FPGA可控制圖像傳感器，并有 SRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存。 圖 系統(tǒng)框圖 OV7670 CSB WEB OEB HREF VSYNC PCLK A[3:0] DATA[7:0] FPGA CSB WEB OEB HREF VSYNC PCLK A[3:0] DATA[7:0] SRAM(A) SRAM(B) 微處理器 FPGA的圖像 數(shù)據(jù)接收緩存板 SRAM(A) OV7670 圖像數(shù)據(jù)采集版 SRAM(B) 9 第 3章 系統(tǒng)硬件設計 圖像傳感器 CCD與 CMOS CCD與 COMS傳感器是當前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用感光二極管（ photodiode）進行光電轉換，將圖像轉換為數(shù)字 數(shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字數(shù)據(jù)傳送的方式不同。 CCD傳感器中每一行中每一個象素的電荷都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出會，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進行放大輸出：而在COMS傳感器中，每個象素都會鄰接一個放大器 A/D轉換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。造成這種差異的原因在于： CCD的特殊工藝可保證在傳送時不會失真，因此保個象素的數(shù)據(jù)可匯聚至邊緣再進行放大處理；而 COMS工藝產(chǎn)數(shù)據(jù)在傳送距離較長時會產(chǎn)生噪聲，因此必須先放大，再整合各個象素的數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)傳送方式不同，因此 CCD與 COMS傳感器在效 能與應用上也有諸多差異。這些差異包括： 靈敏度：靈敏度代表傳感器的光敏單元收集光子產(chǎn)生電信號的能力。 CCD圖像傳感器靈敏度較 COMS圖像傳感器高 30%50%。這主要因為 CCD像元耗盡區(qū)深度可達 10MM，具有可見光及近紅外光譜段的完全收集能力。 COMS圖像傳感器由于采用 CMOS工藝。由于采用低電阻率硅片須保持低工作電壓，像元耗盡區(qū)深度只有 12MM，其吸收截止波長小于 650nm，導致像元對紅外及近紅外光吸收困難。 電子快門：快門代表了任意控制曝光開始和停止的能力。 CCD傳感器特別是內(nèi)線轉移結構傳感器具有優(yōu)良的電子快門功能，由于器件可縱向從襯底排除多余電荷，電子快門功能幾乎不受像元尺寸縮小的限制，不會擠占光敏區(qū)面積而降低器件占空比。 CMOS傳感器在每個像元中需要一定數(shù)量的晶體管來實現(xiàn)電子快門功能，增加電子快門功能將增加像元中的晶體管數(shù)量。壓縮感光區(qū)的面積，降低器件的占空比，特別在像元尺寸進一步縮小時此矛盾更為突出。 CMOS傳感器設計者采用在不同時間對不同行進行曝光的滾動快門方式解決此問題，這種方式減少了像元中是晶體管，提高了占空比，但在高性能應用中運動目標會出現(xiàn)明顯的圖像變形，因此只適合 某些商業(yè)應用。此外可采用較大尺寸的像元以兼顧圖像高性能和具有與 CCD類似的同時曝光的電子快門功能。 10 速度：由于大部分相機電路可與 CMOS圖像傳感器在同一芯片上制作，信號及驅動傳輸距離縮短，電感、電容及寄生延遲降低，信號讀出采用 X2Y尋址