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(gòu)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(shù)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(gòu)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(gòu)成。硬件設計包括時鐘模塊設計、NIOS Ⅱ硬件平臺構(gòu)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(gòu)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(gòu)建是設計核心。NIOS II硬件平臺選擇標準MCU內(nèi)核，16位SDRAM控制器，JTAG UART調(diào)試接口，用于片內(nèi)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(zhuǎn)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?qū)V7670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(zhuǎn)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(gòu)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(diào)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(gòu)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(jié)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(jié)束地址分別為0000和00EF，列起始地址和結(jié)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(jié)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(diào)試可以在軟件上仿真實現(xiàn)，大大降低硬件調(diào)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(shù)與自動化裝置。