基于NIOS II的實時圖像采集系統(tǒng)的設計

摘 要：為了保證圖像采集的快速性和準確性，提出了一種基于Nios II的實時圖像采集系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)以Altera FPGA芯片EP2C8Q208C8為主控芯片，根據(jù)自頂向下的設計思想，采用Verilog HDL語言構建NIOS Ⅱ硬件平臺，利用C語言編寫攝像頭OV7670寄存器的配置、SCCB總線通信協(xié)議和TFT-LCD顯示屏配置代碼，將采集得到的圖像實時顯示在TFT-LCD液晶顯示屏上。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定度高、設計靈活高效、可移植性強等優(yōu)勢，可應廣泛用于實際生產(chǎn)生活實時圖像監(jiān)控中。

關鍵詞：實時； 圖像采集；硬件平臺；自頂向下；可移植性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.123

0 引言

隨著現(xiàn)代電子科技的迅猛發(fā)展，圖像采集技術在人們的生活和工作中得到了廣泛應用如各類電話會議、監(jiān)控系統(tǒng)等[1-3]。當前市面上圖像采集系統(tǒng)采用的設計方案多種多樣，核心控制芯片各不相同，主要有利用ARM芯片實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)、基于DSP芯片的圖像采集系統(tǒng)和利用可編程邏輯器件FPGA芯片實現(xiàn)的圖像采集系統(tǒng)等[1-6]。這些系統(tǒng)各有優(yōu)缺點，基于FPGA的圖像采集系統(tǒng)以可移植性強、性能良好等特性受到研究者青睞。本設計采用Altera FPGA芯片EP2C8Q208C8完成圖像采集系統(tǒng)的設計。

1 實時圖像采集系統(tǒng)總體設計方案

本設計由五部分構成：FPGA控制模塊、圖像采集模塊、時鐘模塊、SDRAM存儲模塊和TFT-LCD顯示模塊，系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。系統(tǒng)設計由硬件設計和軟件開發(fā)構成。硬件設計包括時鐘模塊設計、NIOS Ⅱ硬件平臺構建、攝像頭OV7670控制模塊和TFT-LCD顯示控制模塊設計；軟件設計采用C語言配置攝像頭OV7670寄存器、編寫SCCB總線通信協(xié)議和配置TFT-LCD在NIOSⅡIDE系統(tǒng)中完成。

2 實時圖像采集系統(tǒng)硬件設計

2.1 時鐘模塊設計

系統(tǒng)源時鐘信號為50MHz，可以分頻得到NIOS II硬件平臺、SDRAM存儲模塊和攝像頭OV7670的工作時鐘，分別為50MHz、50MHz和24MHz。設計采用模擬鎖相環(huán)來消除延時提高其準確性。

2.2 NIOS II硬件平臺構建

系統(tǒng)是基于NIOS II系統(tǒng)設計的，因此NIOS II硬件平臺的構建是設計核心。NIOS II硬件平臺選擇標準MCU內核，16位SDRAM控制器，JTAG UART調試接口，用于片內RAM及用于TFT-LCD控制的I/O口[7]，自動分配基地址和中斷。

2.3 攝像頭OV7670控制模塊設計

攝像頭OV7670采集的圖像信號以幀為單位，每一幀圖像信號由幀同步和行同步信號協(xié)同控制轉換為圖像在TFT-LCD液晶屏上顯示。本設計的TFT-LCD圖像格式是RGB565，為了能夠將OV7670采集到的信號正確顯示在TFT-LCD上，必須將OV7670采集到的信號轉換為TFT-LCD的信號格式。設計將OV7670采集到的兩個8位信號拼接成16位信號構成RGB565格式，送入TFT-LCD各引腳進行顯示。OV7670控制時序圖如圖2所示。如圖，當攝像頭采集到的兩個8位信號為7DH與8CH，輸出信號實現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接為7D8CH，，從而實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的正確顯示。

2.4 TFT-LCD顯示控制模塊設計

TFT-LCD顯示模塊的功能是控制輸入TFT-LCD屏的數(shù)據(jù)通道，可通過控制信號enable選擇FPGA控制芯片或者攝像頭控制數(shù)據(jù)傳輸。當enable為1時，傳輸?shù)絋FT-LCD液晶屏的信號為FPGA控制芯片的輸出數(shù)據(jù)；反之為攝像頭控制模塊的輸出數(shù)據(jù)[8，9]。

3 實時圖像采集系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)依托NIOS II IDE平臺實現(xiàn)，采用C語言完成攝像頭OV7670寄存器、SCCB總線通信協(xié)議和TFT-LCD液晶屏配置程序的編寫[10]。

3.1 攝像頭OV7670寄存器配置

本設計采用OV公司的圖像傳感器OV7670，該攝像頭具有自動曝光、白平衡和降噪調節(jié)等功能。攝像頭OV7670的寫地址為0x42，設計采用wr_OV7670_Reg函數(shù)來實現(xiàn)攝像頭寄存器數(shù)據(jù)配置，首先判斷攝像頭寄存器寫地址是否有效，若有效即開始SCCB總線工作，延時100 us，若無效即停止SCCB總線；然后用同樣方法判斷寄存器地址與配置數(shù)據(jù)是否有效。

3.2 SCCB通信協(xié)議編寫

攝像頭OV7670采集到的信號通過SCCB總線傳送，可通過讀寫OV7670寄存器控制圖像輸出。OV7670以相為傳輸單元，每一相由9位數(shù)據(jù)構成，包含8位圖像信號和1位校驗位。OV7670寄存器的配置數(shù)據(jù)傳輸為三相傳輸，分別為控制寄存器的寫地址，寄存器的地址和寄存器的配置數(shù)據(jù)。

3.3 TFT-LCD配置

為了將攝像頭OV7670采集信號正確顯示到TFT-LCD上，需要確定圖像顯示的行與列的起始點和結束點。采集到的輸入信號從起始點逐行依次顯示，設行起始地址和結束地址分別為0000和00EF，列起始地址和結束地址分別為0000和013F，行和列限制的范圍即為攝像頭OV7670采集到的圖像的顯示區(qū)域，通過函數(shù)Lcd_Show來實現(xiàn)。

4 硬件驗證

系統(tǒng)硬件驗證在HSNIOS2C8 V3.0 NIOS II開發(fā)板上實現(xiàn)，如圖3（a）所示。圖3（b）為利用攝像頭OV7670采集的原始圖像，圖3（c）為用攝像頭OV7670實時采集圖像，由圖可看出圖像清晰，分辨率較好，該系統(tǒng)實現(xiàn)了實時圖像采集的功能。

5 結束語

本文實現(xiàn)了基于Nios II系統(tǒng)的實時圖像采集系統(tǒng)，工作性能穩(wěn)定。NIOS Ⅱ系統(tǒng)設計方法不僅簡化了設計難度，而且充分利用了FPGA設計的靈活性，系統(tǒng)時序邏輯調試可以在軟件上仿真實現(xiàn)，大大降低硬件調試難度。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定度高、設計靈活高效、可移植性強等優(yōu)勢，可廣泛應用于生產(chǎn)生活中。

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作者簡介：石圣羽，男，河北秦皇島人，碩士研究生，研究方向：檢測技術與自動化裝置。