系统的工作过程是:系统配置完成后,视频获取设备获取视频图像,每帧图像经模数转换生成图像数据进入预处理模块,经预处理后的图像数据送入SDRAM存储器,由Nios II处理器进行图像的后续处理和控制。处理后的图像经数模转换在监视器上实时显示。
1.1 图像采集接口电路设计
本系统采用美国OmiVision公司的数字式彩色CMOS图像传感器OV7640。该芯片分辨率为640×480像素,成像速度为30帧/s,采取逐行扫描方式,输出为数字信号。工作原理如图2。
图像采集的程序流程是:首先Nios初始化OV7640的各个寄存器,主要包括状态寄存器(STA)、数据和时钟控制寄存器(CLKRC)、自动增益控制寄存器(AGC)的设置;然后查询等待,条码图像被OV7640采集进入数据寄存器后,通过DMA方式存入SDRAM,Nios再从SDRAM中提取数据进行译码。
1.2 基于Nios的SoPC系统硬件设计
基于Nios软核的SoPC系统设计是整个系统塑封电感硬件设计的核心,包括Nios软核处理器的设计、数据采集控制的设计、图像信号FFT分析的差模电感实现、参数显示以及RS232通信模块的扁平型电感设计等。另外,使用Nios进行嵌入式设计在硬件上必需使用Altera公司的FPGA。
Nios处理器核的硬件设计是根据系统的功能要求定制合适的CPU和外设,然后在SoPC和Quartus II中实现。在硬件设计流程中,可以灵活定制Nios CPU的许多特性甚至指令,可以使用Altera提供的IP Core来加快设计者开发Nios外设的速度并提高外设性能,也可以使用第三方的IP Core,或者使用VHDL电感器生产厂家、Verilog自行定制外设。
系统Nios外设主要包括:
(1)CMOS图像传感器接口模块。由于Altera没有提供CMOS图像传感器接口模块,所以使用VHDL编程自行定制。通过VHDL编程设计一个CMOS图像传感器控制模块,采用接入Avalon总线的方式自定制外设。
(2)由于要对数字图像信号进行FFT运算,所以采集的数据必须先进行存储,然后再作FFT计算。因此,必须设计FIFO存储器和FFT实现的硬件。
(3)RS232通信电路模块。RS232通信可以通过串行口UART加上一个转换芯片来实现。所以,本系统利用SoPC中提供的UART组件来实现RS232通信接口的设计。
(4)LCD液晶显示模块。LCD液晶显示是通过配置Nios的PIO接口来控制的。
除上面所述之外,根据系统要求,Nios处理器核应当配置以下组件及接口模块:cpu、boot_rom(用于系统引导)、uart1(用于系统的仿真调试)、uart_rs232(用于串口通讯)、Timer1(系统内部时钟)、lan_timer(以太网通信用时钟)、button_pio(用于参数设置)、lcd_pio(用于参数显示)、user_logic_ad_nv_ctl和user_logic_ad_power_ctl(自定义的AD转换的接口模块)、Ethernet(用于以太网通信)、ext_ram(外部SRAM)、dma(用于将采集的数据直接存入SRAM中)和ext_flash(外部flash)。
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