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采用FPGA集成DSP功能提高成像应用的性能

发布时间:2020-07-21 18:14:12 阅读: 来源:热量计厂家

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

740)this.width=740" border=undefined>图1 Intevac NightVista摄像机中Cyclone系列FPGA功能框图

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。

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RoHSAltera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。■

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