隨著計算機技術和人工智能技術的快速發(fā)展,，圖像識別技術已成為人工智能的基礎技術,，它涉及的技術領域越來越廣泛,，應用越來越深入,。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)向高速化、自動化方向的發(fā)展,，以形狀為特征的圖像識別在現(xiàn)代生產(chǎn)中的應用日益增加,，不論是材料、工業(yè)自動化,、遙感技術,，還是產(chǎn)品質(zhì)檢都需要對形狀進行檢測。因此,，開發(fā)集圖像信號的采集與處理于一體,、具有高集成度、高保密性的圖像處理系統(tǒng)將成為行業(yè)的發(fā)展趨勢。此外,，基于32 bit微處理器純嵌入式系統(tǒng)的圖像采集處理技術正處于方興未艾階段,，發(fā)展前景廣闊，可廣泛應用于工業(yè)自動化生產(chǎn),、監(jiān)護/防盜系統(tǒng),、機器人視覺等技術中。SoPC技術是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)同設計的系統(tǒng)設計技術。本系統(tǒng)就是在這種背景下提出的,。其主要工作是設計一個實用的圖像采集和處理平臺,，能完成目標圖像的采集輸入，并能對采集到的圖像進行處理和識別,。
1 系統(tǒng)整體方案及硬件設計
    系統(tǒng)要求在FPGA片內(nèi)利用SoPC技術實現(xiàn)便攜式的圖像采集與處理,。它通過對原始圖像的掃描，經(jīng)數(shù)字圖像處理與識別后即可將得到的大容量的承載信息(包括文字,、頭像,、指紋等個人信息)在LCD上顯示，并可通過USB接口將信息拷貝,，或通過RS-232接口將信息上傳給PC機,，也可以通過GPRS將獲得的信息方便快捷地發(fā)往數(shù)據(jù)中心作驗證。
    整個系統(tǒng)的核心部分是內(nèi)嵌Nios II軟核的FPGA,，外圍設備和芯片包括圖像獲取設備,、顯示器及片外SDRAM和FLASH存儲器、輸入設備等,。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示,。

    系統(tǒng)的工作過程是：系統(tǒng)配置完成后，視頻獲取設備獲取視頻圖像,，每幀圖像經(jīng)模數(shù)轉換生成圖像數(shù)據(jù)進入預處理模塊,，經(jīng)預處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM存儲器，由Nios II處理器進行圖像的后續(xù)處理和控制,。處理后的圖像經(jīng)數(shù)模轉換在監(jiān)視器上實時顯示,。
1.1 圖像采集接口電路設計
    本系統(tǒng)采用美國OmiVision公司的數(shù)字式彩色CMOS圖像傳感器OV7640。該芯片分辨率為640×480像素,，成像速度為30幀/s,，采取逐行掃描方式，輸出為數(shù)字信號,。工作原理如圖2,。

    圖像采集的程序流程是：首先Nios初始化OV7640的各個寄存器，主要包括狀態(tài)寄存器（STA）、數(shù)據(jù)和時鐘控制寄存器(CLKRC),、自動增益控制寄存器(AGC)的設置,；然后查詢等待，條碼圖像被OV7640采集進入數(shù)據(jù)寄存器后,，通過DMA方式存入SDRAM,，Nios再從SDRAM中提取數(shù)據(jù)進行譯碼。
1.2 基于Nios的SoPC系統(tǒng)硬件設計
    基于Nios軟核的SoPC系統(tǒng)設計是整個系統(tǒng)硬件設計的核心,，包括Nios軟核處理器的設計,、數(shù)據(jù)采集控制的設計、圖像信號FFT分析的實現(xiàn),、參數(shù)顯示以及RS232通信模塊的設計等,。另外，使用Nios進行嵌入式設計在硬件上必需使用Altera公司的FPGA,。
    Nios處理器核的硬件設計是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制合適的CPU和外設,，然后在SoPC和Quartus II中實現(xiàn)。在硬件設計流程中,，可以靈活定制Nios CPU的許多特性甚至指令,，可以使用Altera提供的IP Core來加快設計者開發(fā)Nios外設的速度并提高外設性能，也可以使用第三方的IP Core,，或者使用VHDL,、Verilog自行定制外設。
    系統(tǒng)Nios外設主要包括：
    (1)CMOS圖像傳感器接口模塊,。由于Altera沒有提供CMOS圖像傳感器接口模塊,，所以使用VHDL編程自行定制。通過VHDL編程設計一個CMOS圖像傳感器控制模塊,，采用接入Avalon總線的方式自定制外設,。
    (2)由于要對數(shù)字圖像信號進行FFT運算，所以采集的數(shù)據(jù)必須先進行存儲,，然后再作FFT計算,。因此，必須設計FIFO存儲器和FFT實現(xiàn)的硬件,。
    (3)RS232通信電路模塊,。RS232通信可以通過串行口UART加上一個轉換芯片來實現(xiàn)。所以,，本系統(tǒng)利用SoPC中提供的UART組件來實現(xiàn)RS232通信接口的設計。
    (4)LCD液晶顯示模塊,。LCD液晶顯示是通過配置Nios的PIO接口來控制的,。
    除上面所述之外，根據(jù)系統(tǒng)要求，Nios處理器核應當配置以下組件及接口模塊：cpu,、boot_rom（用于系統(tǒng)引導）,、uart1(用于系統(tǒng)的仿真調(diào)試)、uart_rs232(用于串口通訊),、Timer1(系統(tǒng)內(nèi)部時鐘),、lan_timer(以太網(wǎng)通信用時鐘)、button_pio(用于參數(shù)設置),、lcd_pio(用于參數(shù)顯示),、user_logic_ad_nv_ctl和user_logic_ad_power_ctl(自定義的AD轉換的接口模塊)、Ethernet(用于以太網(wǎng)通信),、ext_ram(外部SRAM),、dma(用于將采集的數(shù)據(jù)直接存入SRAM中)和ext_flash(外部flash)。
    本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的存儲是通過設計FIFO存儲器電路實現(xiàn)的,。FIFO存儲器電路主要由一個雙口RAM模塊(Dual-Port RAM)和狀態(tài)機模塊(State Machine Table)組成,，通過先進先出(FIFO)堆棧把數(shù)據(jù)存儲在雙口RAM中。其設計是在Matlab環(huán)境下利用Altera DSP Builder設計工具實現(xiàn)的,。
    電路設計完成并仿真驗證成功后,，應用DSP Builder中的signal Compiler進行編譯分析，經(jīng)signal Compiler轉換后可以變成VHDL語言的程序,。同時,，在Quartus II中，可以將VHDL語言程序轉換成電路符號,，便于應用原理圖的方法設計硬件系統(tǒng),。由FIFO存儲器的VHDL程序生成的電路符號如圖3所示。在設計過程中,，需要用到Quartus II軟件和其內(nèi)嵌的IP Toolbench,。按照本系統(tǒng)的要求設置FFT的參數(shù)為：點數(shù)為1 024點，數(shù)據(jù)寬度為12 bit,。最后設計生成FFT的MegaCore Function模塊,，包含一些VHDL程序及其他相關的文件。由VHDL程序生成的FFT模塊電路符號如圖4所示,。

2 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件部分包括實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和數(shù)據(jù)采集與處理部分的應用程序,。在Nios II IDE中將軟件開發(fā)分為兩大部分，一部分是底層系統(tǒng)軟件的開發(fā),，主要完成BSP（板級支持包）的功能,；另一部分則是用戶應用軟件的開發(fā)（包括用戶硬件驅動及用戶上層應用軟件）。整個用戶軟件的開發(fā)及調(diào)試工作都可以在Nios II IDE中完成,。
2.1 實時操作系統(tǒng)μC/OS-II在Nios上的移植
    在本課題中使用的是μC/OS-II的v2.83版本,，源碼可以從Micrium的網(wǎng)站上獲得,。同時還要從網(wǎng)站上獲得μC/OS-II在EDK中使用的配置文件μCOS-II_v2_1_0.mld和μCOS-II_v2_1_0.tcl。將這兩個文件放到EDK能找到的路徑下,，這樣在EDK中才能配置使用μC/OS-II,。在EDK中通過菜單Software->Software Platform Settings打開配置窗口，在OS中選擇μC/OS-II,，OS Version中選擇 v2.83a,，然后進入OS & Library對μC/OS-II進行配置。
    在Nios II IDE中,，可以對μC/OS-II的源碼位置,、BSP包源碼位置、移植程序文件位置,、應用程序文件位置進行修改,，同時還可對μC/OS-II進行剪裁配置，如是否使用事件,、互斥信號量,、消息郵箱及任務是否可刪除等。
2.2 實時操作系統(tǒng)下的軟件設計
    μC/OS-II在ALTERA的Nios微處理器上移植并測試完成后,，建立了基于μC/OS-II實時多任務內(nèi)核的硬件開發(fā)平臺,，但μC/OS-II僅是一個有源碼的內(nèi)核，在實際應用中,，對外設的操作需要自行編寫底層的代碼,。在此平臺下進一步開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能,，需要建立相關的應用程序,，也就是要根據(jù)整個系統(tǒng)的要求，劃分不同的任務,，這些任務交由實時內(nèi)核來調(diào)度管理,。一般一個任務對應于一段獨立的主程序，它可能調(diào)用各種子程序,，并使用各種系統(tǒng)資源,，以完成某種特定的功能，并且實時內(nèi)核允許多個任務并行運行,。采用實時操作系統(tǒng),，使應用程序的編寫簡單且易于調(diào)試。
    主程序用C語言編寫,，其主要程序如下：
    void main()
        {sys_initialize(),；//系統(tǒng)初始化
        while(1)
        {ad_fft_ctl()；//數(shù)據(jù)采集及FFT計算子程序
            case collection_order：    //圖像采集命令
            image_collection(),；//圖像采集
            image_process(),；//圖像處理
            image_save(),；//圖像保存
            mps_decoder(),；//調(diào)用相應的解碼算法
            case rs232_transfer：//傳輸數(shù)據(jù)命令
            lcd_display(p1,，p2，p3),；//LCD液晶顯示子程序
        }
    }
3 系統(tǒng)調(diào)試與應用實例
    調(diào)試包括硬件和軟件調(diào)試,。硬件調(diào)試分析電路的設計合理性及焊接工藝的可靠性，以保證所設計的各個模塊合理,，重點放在調(diào)試自己所設計的IP核和硬件邏輯的可靠性與適用性,。軟件調(diào)試主要是集中在系統(tǒng)內(nèi)核的應用程序，以保證各個功能都成功實現(xiàn),。這是一個相當復雜的過程,。
3.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試
    為了驗證FPGA能否正常工作，把CMOS圖像傳感器的輸出連接到Nios II開發(fā)板的擴展插座上,，編寫VHDL程序,，讀取CMOS圖像傳感器的輸出并存儲到FPGA的內(nèi)部RAM中，利用Quartus II的工具In-System Memory Content Editor,，讀取內(nèi)部RAM的值,。
    要設計用戶邏輯或者外設，除了要編寫實現(xiàn)特定功能的邏輯之外,，還要編寫與Avalon總線的接口,，這就要求對Avalon總線的規(guī)范很熟悉。測試結果表明,，程序能夠通過JTAG接口成功下載到FPGA上,，顯示在LCD上的運行結果也正確。這說明FPGA,、JTAG接口,、電源、晶振和LCD顯示等電路均能正常工作,。
3.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試
    Nios II集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是Nios II系列嵌入式處理器的基本軟件開發(fā)工具,，所有的開發(fā)任務都可以在Nios II IDE下完成，包括編輯,、編譯,、調(diào)試程序和下載。系統(tǒng)的軟件設計和調(diào)試全部在Nios II IDE下完成,，使用C/C++語言編程,。
3.3 系統(tǒng)應用實例——PDF417二維條碼的識別
    二維條碼掃描器開始工作時，首先采集二維條碼圖像數(shù)據(jù),，由于實際工作中條碼圖像會出現(xiàn)污損等情況,，對碼字的正確譯出造成影響,，所以必須對采集到的圖像進行降噪、校正等預處理,。條碼圖像為灰度圖像,，對其進行二值化才能進行碼字識別。在將PDF417碼的所有碼字正確分割后,，以查表方式在碼本中查找與碼字相對應的值,，將編碼數(shù)據(jù)譯出。為確認掃描的有效性,，必須進行前向錯誤校驗,。如出錯，則進行糾錯,。最后,，將譯碼的正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C或LCD顯示。識別過程如圖5所示,。

    二維條碼數(shù)據(jù)全部識別完以后,，Nois控制輸出一個中斷申請信號，開始執(zhí)行中斷服務程序,。首先選定數(shù)據(jù)傳輸口地址,，然后譯碼結果可通過RS-232接口被送至計算機，計算機接收該譯碼數(shù)據(jù)后,，中斷結束,。重復該過程，直至全部譯碼結果輸出結束,。整個軟件處理過程控制在0.3 s以內(nèi),，完全可以滿足系統(tǒng)實時性要求。
    本文對基于FPGA以及Nios的圖像采集與處理系統(tǒng)設計進行了深入研究,，并在設計完成硬件實驗平臺的基礎之上,，完成了嵌入式操作系統(tǒng)的移植及應用程序的設計。系統(tǒng)采用Nios處理器和FPGA,，必要的外圍電路和處理器能集中在一塊芯片上,，減少了系統(tǒng)體積，簡化了系統(tǒng)規(guī)模,，同時可以方便地進行擴展和升級,。μC/OS-II操作系統(tǒng)移植到Nios處理器上，提高了系統(tǒng)的運行效率和可靠性,。嵌入式圖像處理系統(tǒng)作為一種新型的智能化視覺系統(tǒng),，以其種種優(yōu)點使之具有廣闊的應用前景和良好的經(jīng)濟價值。研究與推廣嵌入式圖像處理系統(tǒng)無疑是科技進步的表現(xiàn),，尤其當嵌入式圖像處理系統(tǒng)應用于工業(yè)生產(chǎn)上時,，必能提高生產(chǎn)效率,，推動生產(chǎn)力的發(fā)展。
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