【正文】 ....................................................................13 SDRAM 電路實現(xiàn) ..................................................................................15 SRAM 電路實現(xiàn) .....................................................................................17 其他硬件電路 ..........................................................................................18 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .......................................................................................................19 軟件設(shè)計概述 ................................................................................................19 VHDL 簡介及特點 .........................................................................................20 OV7670 初始化模塊 ......................................................................................21 OV7670 數(shù)據(jù)采集模塊 ..................................................................................23 SRAM 控制 模塊和 TFT 液晶控制模塊 .......................................................25 MCU 單元設(shè)計 ..............................................................................................26 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 IV SOPC Builder 簡介 ..................................................................................26 主控制單 元 MCU 的實現(xiàn) .......................................................................28 NIOS II 軟件開發(fā) ...........................................................................................29 NIOS II 集成開發(fā)環(huán)境 ............................................................................29 MCU 軟件 設(shè)計 ........................................................................................30 簡單運(yùn)動檢測 ..........................................................................................31 BMP 圖片存儲 ........................................................................................32 5 總結(jié)與展望 ...........................................................................................................34 參考文獻(xiàn) ...................................................................................................................35 附錄 1.......................................................................................................................36 附錄 2.......................................................................................................................43 致謝 ...........................................................................................................................44 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 1 前 言 數(shù)字圖像處理 發(fā)展史 數(shù)字圖像處理技術(shù)起源于 20 世紀(jì) 20 年代，當(dāng)時通過海底電纜從英國倫敦到美國紐約傳輸了一幅照片，它采用了數(shù)字壓縮技術(shù)。 前端的圖像采集速度及質(zhì)量，直接影響到圖像處理系統(tǒng)后端的算法處理及應(yīng)用。因此，現(xiàn)場可編程門陣列（ FPGA， Field－ Programmable Gate Array）以其較高的并行處理河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 能力、豐富的內(nèi)部資源和較大的靈活性，在視頻圖像處理方面，顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 系統(tǒng)整體設(shè)計 本文主要研究是基于 FPGA 設(shè)計一個完整和視頻信號采集與存儲系統(tǒng)。 CMOS 數(shù)字圖像傳感器基本原理 CMOS 數(shù)字?jǐn)z像頭是由 CMOS 數(shù)字圖像傳感器芯片、芯片外圍電路和光學(xué)鏡頭組成的。 CMOS 圖像傳感器的特性 （ 1）光照特性 CMOS 傳感器的主要應(yīng)用也是圖像的采集，也要求能夠適應(yīng)更寬的光照范圍。 COMS 傳感器的基本結(jié)構(gòu) OV7670 簡介 下面以 OmniVision 公司的 OV7670 圖像傳感器為例，來說明 COMS傳感器的基本結(jié)構(gòu)。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。 （ 12） LED 和閃光燈輸出控 制 OV7670/OV7171 有閃光燈模式，控制外接閃光燈或閃光 LED 的工作。與其他低成本 90nm FPGA 相比， Cyclone II FPGA 快 60％，是市場上性能最好的低成本 90nm FPGA。 ① FPGA 主動方式 在主動方式下，配置過程如下： FPGA 主動輸出控制和同步信號 (包括配置時鐘 )給 Altera 專用的串行配置芯片 (EPCSl 和 EPCS4 等 )，配置芯片在收到命令后，將配置數(shù)據(jù)發(fā)送到 FPGA。 ③ JTAG 方式 JTAG 是 IEEE 1149． 1 邊界掃描測試的標(biāo)準(zhǔn)接嗣。SOPC（ System On Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）是 Altera 公司提出的一種靈活、高效的 SOC 解決方案，是一種新的軟硬件協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 圖 35 SRAM 硬件電路圖 其他硬件電路 上面將幾個比較復(fù)雜的模塊詳細(xì)說明了一下，剩余的幾個模塊，如OV7670、 TFT 液晶、 SD 卡。 VHDL 簡介及特點 VHDL （ VeryHighSpeed Integrated Circuit HardwareDescription Language， 超高速集成電路硬件描述語言 ） 誕生于 1982 年。 ② 支持廣泛、易于修改 由于 VHDL 已經(jīng)成為 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)范的硬件描述語言，目前大多數(shù)EDA 工具幾乎都支持 VHDL，這為 VHDL 的進(jìn)一步推廣和廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 ⑤ 很強(qiáng)的移植能力 VHDL 是一種標(biāo)準(zhǔn)化的硬件描述語言，同一個設(shè)計描述可以被不同的工具所支持，使得設(shè)計描述的移植成為可能。 該模塊包含兩個部分，底層部分專門用來實現(xiàn) SCCB 控制傳輸，向OV7670 傳送上層模塊傳送過來的初始化數(shù)據(jù)。 仿真結(jié)果如圖 45 所示： 圖 45 初始化仿真時序 OV7670 數(shù)據(jù)采集模塊 在初始化程序中，我們已經(jīng)把 OV7670 配置為，輸出 QVGA 格式，16 位圖像數(shù)據(jù)格式為 RGB565。完成之后，將 TFT 的控制交給 OV7670 數(shù) 據(jù)采集模塊，因為在 OV7670O 數(shù)據(jù)采集模塊中，已經(jīng)河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 26 完成所需的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，所以這時 TFT 液晶可實時顯示到采集的圖像。設(shè)計者采用 SOPC Builder，能夠在一個工具內(nèi)定義一個從硬件到軟件的完整系統(tǒng)，而花費(fèi)的時間僅僅是傳統(tǒng) SOC 設(shè)計的幾分之一。 如圖 49 所示， SOPC Builder 的設(shè)計流程包括兩個階段：配置 (框圖左邊所示 )和生成 (框圖右邊所示 )。 SOPC Builder 查閱每個 Class PTF 文件，允許相關(guān)的部件生成程序，它們會正確地輸出特定系統(tǒng)配置的硬件和 /或軟件文件。 SD 卡（ Secure Digital Memory Card） ， 中文翻譯為安全 數(shù)碼卡 ，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個人數(shù)碼助理 (PDA)和多媒體播放器等。僅僅通過一臺 PC 機(jī)、一片 Altera 的 FPGA 以及一根 JTAG 下載河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 30 電纜，軟件開發(fā)人員就能夠往 Nios II 處理器系統(tǒng)寫入程序以及和 Nios II處理器系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 32 YUV 是 被歐洲電視系統(tǒng)所采用的一種顏色編碼方法（屬于 PAL），是PAL 和 SECAM 模擬彩色電視制式采用的顏色空間。它采用位映射存儲格式，除了 圖像深度 可選以外，不采用其他任何壓縮，因此， BMP 文件所占用的空間很大。然后將我們的 RGB565 進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到位圖數(shù)據(jù)，緊跟著文件頭和信息頭，存儲在一整個數(shù)組中。 雖然本系統(tǒng)目前已經(jīng)取得了一定的成果，但是由于本人能力及時間的限制，尚未完成整個系統(tǒng)的設(shè)計，如濾波器的設(shè)計，圖像處理過于簡單等問題。 RESET:IN STD_LOGIC。 TFT LCD_CS: OUT STD_LOGIC。 END CCD_TOP。 SIGNAL PRE_IOV7670_DATA_8BIT:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0)。 LCD_RD=39。 ODVAL=NOT IVSYNC。039。139。139。039。039。 Y_CONT=00000000000。039。 LCD_CS=39。 SIGNAL WRITE_STATE:STD_LOGIC。 SIGNAL OV7670_DATA_16BIT:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0)。 LCD_RS: OUT STD_LOGIC。 OV7670 OV7670_RESET:OUT STD_LOGIC。它可以作為在線圖像數(shù)據(jù)傳輸、嵌入式機(jī)器人、視頻圖像處理等多個系統(tǒng)的一個前端子系統(tǒng)，下一步的工作主要是在 FPGA 內(nèi)部設(shè)計 DSP 模塊對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波等處理，在 NIOS II 中編寫相應(yīng)的圖像處理程序，使圖像處理的整個系統(tǒng)都包含在一片 FPGA 內(nèi)部。然后將其寫入到 SD 卡中。 BMP 文件存儲數(shù)據(jù)時，圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。這種色彩的表示方法就是所謂的 YUV 色彩空間表示。此時， TFT 液晶屏上面實時顯示采集到的畫面，并且外部模塊一直在向 SRAM 內(nèi)寫入圖像數(shù)據(jù)。 在本系統(tǒng)中，包含的 SD 卡控制模塊，在系統(tǒng)中 Library 中沒有，就需要我們自己往工程中添加了，根據(jù) Avalon 總線協(xié)議，添加的 SD 卡控制模塊如下圖 411 所示： 圖 411 MCU 中 SD 卡控制模塊 之后就可以生成我們所需的 MCU 控制塊，添加到我們之前設(shè)計的VHDL 模塊之中，將各個模塊連接起來，就形成本系統(tǒng)的底層硬件。例如， Nios 處理器中包括的UART 可以配置為軟件控制波特率，以更多門換取更大的靈活性。 SOPC Builder GUI 引導(dǎo)用戶完成兩部分的配置：部件配置和系統(tǒng)配置。 SOPC Builder 的組件庫包含了從簡單的固定邏輯的功能塊