隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，圖像識別技術(shù)已成為人工智能的基礎(chǔ)技術(shù),，它涉及的技術(shù)領(lǐng)域越來越廣泛,，應(yīng)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(yīng)用日益增加，不論是材料,、工業(yè)自動化,、遙感技術(shù)，還是產(chǎn)品質(zhì)檢都需要對形狀進(jìn)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(shù)正處于方興未艾階段,，發(fā)展前景廣闊,，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化生產(chǎn)、監(jiān)護(hù)/防盜系統(tǒng),、機(jī)器人視覺等技術(shù)中,。SoPC技術(shù)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(shè)計(jì)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù),。本系統(tǒng)就是在這種背景下提出的,。其主要工作是設(shè)計(jì)一個實(shí)用的圖像采集和處理平臺，能完成目標(biāo)圖像的采集輸入,，并能對采集到的圖像進(jìn)行處理和識別,。
1 系統(tǒng)整體方案及硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)要求在FPGA片內(nèi)利用SoPC技術(shù)實(shí)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(jī)，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(yàn)證,。
    整個系統(tǒng)的核心部分是內(nèi)嵌Nios II軟核的FPGA,，外圍設(shè)備和芯片包括圖像獲取設(shè)備、顯示器及片外SDRAM和FLASH存儲器,、輸入設(shè)備等,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shè)備獲取視頻圖像,，每幀圖像經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換生成圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入預(yù)處理模塊，經(jīng)預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)送入SDRAM存儲器,，由Nios II處理器進(jìn)行圖像的后續(xù)處理和控制,。處理后的圖像經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換在監(jiān)視器上實(shí)時顯示。
1.1 圖像采集接口電路設(shè)計(jì)
    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(shè)置,；然后查詢等待,，條碼圖像被OV7640采集進(jìn)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(jìn)行譯碼。
1.2 基于Nios的SoPC系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    基于Nios軟核的SoPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心,，包括Nios軟核處理器的設(shè)計(jì),、數(shù)據(jù)采集控制的設(shè)計(jì),、圖像信號FFT分析的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)顯示以及RS232通信模塊的設(shè)計(jì)等,。另外,，使用Nios進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)在硬件上必需使用Altera公司的FPGA。
    Nios處理器核的硬件設(shè)計(jì)是根據(jù)系統(tǒng)的功能要求定制合適的CPU和外設(shè),，然后在SoPC和Quartus II中實(shí)現(xiàn),。在硬件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者開發(fā)Nios外設(shè)的速度并提高外設(shè)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(shè),。
    系統(tǒng)Nios外設(shè)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(shè)計(jì)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(shè),。
    (2)由于要對數(shù)字圖像信號進(jìn)行FFT運(yùn)算,，所以采集的數(shù)據(jù)必須先進(jìn)行存儲，然后再作FFT計(jì)算,。因此,，必須設(shè)計(jì)FIFO存儲器和FFT實(shí)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(zhuǎn)換芯片來實(shí)現(xiàn),。所以，本系統(tǒng)利用SoPC中提供的UART組件來實(shí)現(xiàn)RS232通信接口的設(shè)計(jì),。
    (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(yīng)當(dāng)配置以下組件及接口模塊：cpu、boot_rom（用于系統(tǒng)引導(dǎo)）,、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(shè)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)FIFO存儲器電路實(shí)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(jī)模塊(State Machine Table)組成，通過先進(jìn)先出(FIFO)堆棧把數(shù)據(jù)存儲在雙口RAM中,。其設(shè)計(jì)是在Matlab環(huán)境下利用Altera DSP Builder設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)的,。
    電路設(shè)計(jì)完成并仿真驗(yàn)證成功后，應(yīng)用DSP Builder中的signal Compiler進(jìn)行編譯分析,，經(jīng)signal Compiler轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電路符號,，便于應(yīng)用原理圖的方法設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)置FFT的參數(shù)為：點(diǎn)數(shù)為1 024點(diǎn),，數(shù)據(jù)寬度為12 bit,。最后設(shè)計(jì)生成FFT的MegaCore Function模塊，包含一些VHDL程序及其他相關(guān)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(shè)計(jì)
    系統(tǒng)軟件部分包括實(shí)時操作系統(tǒng)μC/OS-II和數(shù)據(jù)采集與處理部分的應(yīng)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(yīng)用軟件的開發(fā)（包括用戶硬件驅(qū)動及用戶上層應(yīng)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(shí)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(jìn)入OS & Library對μC/OS-II進(jìn)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(yīng)用程序文件位置進(jìn)行修改，同時還可對μC/OS-II進(jìn)行剪裁配置,，如是否使用事件、互斥信號量,、消息郵箱及任務(wù)是否可刪除等,。
2.2 實(shí)時操作系統(tǒng)下的軟件設(shè)計(jì)
    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(shí)時多任務(wù)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(shí)際應(yīng)用中，對外設(shè)的操作需要自行編寫底層的代碼,。在此平臺下進(jìn)一步開發(fā),，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，需要建立相關(guān)的應(yīng)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(wù)，這些任務(wù)交由實(shí)時內(nèi)核來調(diào)度管理,。一般一個任務(wù)對應(yīng)于一段獨(dú)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(shí)時內(nèi)核允許多個任務(wù)并行運(yùn)行。采用實(shí)時操作系統(tǒng),，使應(yīng)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(jì)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(yīng)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(yīng)用實(shí)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(shè)計(jì)合理性及焊接工藝的可靠性,，以保證所設(shè)計(jì)的各個模塊合理，重點(diǎn)放在調(diào)試自己所設(shè)計(jì)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(yīng)用程序,，以保證各個功能都成功實(shí)現(xiàn),。這是一個相當(dāng)復(fù)雜的過程。
3.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試
    為了驗(yàn)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(kuò)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(shè)計(jì)用戶邏輯或者外設(shè),，除了要編寫實(shí)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(jié)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(yùn)行結(jié)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(wù)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(shè)計(jì)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(yīng)用實(shí)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(shí)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(jìn)行降噪,、校正等預(yù)處理。條碼圖像為灰度圖像,，對其進(jìn)行二值化才能進(jìn)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(yīng)的值,，將編碼數(shù)據(jù)譯出,。為確認(rèn)掃描的有效性，必須進(jìn)行前向錯誤校驗(yàn)。如出錯,，則進(jìn)行糾錯,。最后，將譯碼的正確數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)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(wù)程序,。首先選定數(shù)據(jù)傳輸口地址，然后譯碼結(jié)果可通過RS-232接口被送至計(jì)算機(jī),，計(jì)算機(jī)接收該譯碼數(shù)據(jù)后，中斷結(jié)束,。重復(fù)該過程,，直至全部譯碼結(jié)果輸出結(jié)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(shí)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(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，并在設(shè)計(jì)完成硬件實(shí)驗(yàn)平臺的基礎(chǔ)之上,，完成了嵌入式操作系統(tǒng)的移植及應(yīng)用程序的設(shè)計(jì),。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(jìn)行擴(kuò)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(yùn)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(diǎn)使之具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的經(jīng)濟(jì)價值,。研究與推廣嵌入式圖像處理系統(tǒng)無疑是科技進(jìn)步的表現(xiàn)，尤其當(dāng)嵌入式圖像處理系統(tǒng)應(yīng)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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