intevac是商用和軍用市場光學(xué)產(chǎn)品的前沿開發(fā)商。本文介紹該公司nightvista嵌入式電子系統(tǒng)的開發(fā),，該產(chǎn)品是高性能超低亮度緊湊型攝像機,。該攝像機最初采用了流行的數(shù)字信號處理器、幾個assp和外部存儲器件,。系統(tǒng)對性能的需求越來越高,，工程師團隊決定試驗一種替代方案——在可編程邏輯中實現(xiàn)可配置軟核處理器。這一決定帶來了以下好處：
- 達(dá)到了目標(biāo)所要求的性能
- 在單個fpga中集成了分立的元件和數(shù)字信號處理(dsp" target="_blank">dsp)功能
- 功耗降低了近80%
- 將五塊元件板縮減到一塊,，顯著降低了成本
- 縮短了開發(fā)時間
圖1 intevac nightvista攝像機中cyclone系列fpga功能框圖
dsp基于處理器的實現(xiàn)方法
nightvista電子系統(tǒng)的部分功能包括：
- 攝像機上電測試和初始化
- 視頻傳感校準(zhǔn)和表征
- 圖像增強管理的自動增益控制
- 圖形,、文本和水印屏顯示功能
- 實時自適應(yīng)對比度調(diào)整
- gamma校正、視頻停幀捕獲,，并存儲至閃存
- 實時時鐘
- 用戶定義的可編程預(yù)置配置
- 通過rs-232與主機pc進行通信
- 攝像機功能和參數(shù)遠(yuǎn)程更新,，攝像機至主機pc視頻數(shù)據(jù)傳送
intevac開發(fā)nightvista電子產(chǎn)品的最初方法是采用數(shù)字信號處理器。除了處理器之外,，還需要其他幾個主要部件,，包括ntsc視頻編碼器、一個rs-232接口,、多個鎖相環(huán)(pll),、實現(xiàn)各種邏輯功能的cpld，以及幾個存儲器(fifo,、sdram和閃存),。此外，這些部件需要四個不同的工作電壓(需要四個電源穩(wěn)壓器和不同的pcb板層),，四個獨立的時鐘系統(tǒng),，以及各自的振蕩器和電源去耦電路?？傮w上,，這些部件占用了五塊pcb，每一塊電路板大約兩平方英寸,，堆疊在該攝像機兩英寸見方的外殼中,。
硬件開發(fā)了幾個月之后，大家清楚的認(rèn)識到該解決方案難以達(dá)到intevac為nightvista設(shè)定的性能目標(biāo),，重量和功耗令人難以接受,。而且，由于高密度堆疊的pcb功耗很大，帶來了明顯的熱管理問題,。intevac決定中斷基于數(shù)字信號處理器的設(shè)計,，轉(zhuǎn)而采用基于fpga的混合邏輯和軟核微處理器方案。intevac并沒有使用集成微處理器可編程邏輯的經(jīng)驗,，但是一個使用altera演示板的評估方案很有吸引力,，其最新的低成本fpga能夠?qū)⒁粋€完整的32位risc處理器和存儲器模塊、pll以及大量的邏輯資源集成到一起,，實現(xiàn)專用視頻信號處理功能,。在fpga中集成pll可以解決與電路板級多時鐘系統(tǒng)相關(guān)的大量問題。
工程師團隊考慮了多種因素,，包括：
- 多種fpga系列的性能和特性
- 提供知識產(chǎn)權(quán)(ip)內(nèi)核
- 多個供應(yīng)商的器件集成技術(shù)和業(yè)務(wù)能力
- 提供成熟的硬件和軟件開發(fā)工具
- 供應(yīng)商支持資源的可靠性
分析了以上因素后,，公司決定購買在altera cyclone fpga中實現(xiàn)altera nios處理器的解決方案。fpga的功能如圖1所示,。
設(shè)計轉(zhuǎn)換
決定使用altera的解決方案后,，intevac必須確定現(xiàn)有的dsp軟件在多大程度上能夠?qū)氲絥ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個月的人工付出進行前面的數(shù)字信號處理器軟件開發(fā),，團隊現(xiàn)在面臨的問題是將圖像數(shù)據(jù)通過處理器傳送至輸出,，并沒有進行視頻處理。fpga攝像機中的nios處理器具有不同的特性,，只能通過rs-232串行通信協(xié)議與主機pc和視頻傳感器進行通信,。幸運的是，nios處理器的軟件開發(fā)直觀明了,，通過使用nios開發(fā)板,，intevac在幾個小時之內(nèi)便建立了處理器和主機pc之間的通信。
新的fpga電路板在一個月內(nèi)完成,，在這段時期內(nèi),，intevac繼續(xù)采用nios處理器開發(fā)板編寫、調(diào)試軟件代碼,。intevac最初計劃采用數(shù)字信號處理器的實時操作系統(tǒng)(rtos)來管理復(fù)雜的視頻處理算法時序,。由于nios處理器并不包括現(xiàn)成的rtos，軟件小組并不能確定是否能夠達(dá)到所有的時序要求,。與硬件小組討論后,，軟件小組很快發(fā)現(xiàn)nios處理器的配置功能可以很好的控制信號時序，一般只需要對fpga設(shè)計稍做改動便能夠達(dá)到目標(biāo)時序要求,。同一fpga環(huán)境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡單的實現(xiàn)最佳控制和視頻處理任務(wù),。
fpga方案實現(xiàn)了定制化,，提升了性能。進一步的深入研究后，intevac開始開發(fā)定制功能和外設(shè),，以貼近自己的需求,。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開發(fā)一個處理器來提高性能,，一般在一個小時內(nèi)就可以做到這一點,。硬件小組設(shè)計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的fifo模塊,，以及專用dma控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流,，避免了使用外部編碼器和fifo緩沖。此外,，構(gòu)建了一個定制sdram控制器,，使所有的視頻、屬性,、nios處理器命令讀取和數(shù)據(jù)存儲都可以使用同一存儲器,，從而提高了性能。某些功能需要自己的時鐘,，因此,，采用了fpga的板上pll，從一個主時鐘中產(chǎn)生三個不同的時鐘：第一個用于視頻編碼器,，第二個用于sdram時序,，第三個用于外部象素傳感器。
通過集成提高了性能
在實現(xiàn)了以前所用外部器件的功能以后,，intevac還增加了最初dsp處理器無法實現(xiàn)的功能,。加入了視頻測試模式生成器來仿真攝像機的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法,，使系統(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作,。加入的另一功能是統(tǒng)計生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性,，以便進行圖像增強和亮度處理,。圖像統(tǒng)計生成器需要的數(shù)學(xué)運算如果在軟件中實現(xiàn)，那么速度很慢,。intevac使用了fpga中的邏輯資源來實現(xiàn)該功能,，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器,。
電路板制好后,，在幾個小時內(nèi)便完成了開發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)置,，并在新板上運行,。后面的幾個月中,，intevac在進行硬件和軟件開發(fā)的同時，進一步調(diào)試,、優(yōu)化了設(shè)計,。雖然對處理器和fpga設(shè)計的其他部分進行了多次修改，但是,，并沒有影響電路板布板,。最后，使用cyclone器件和nios軟核處理器,，將五塊電路板縮減為一塊,。這種集成方式減輕了攝像機重量，所需支持電壓由四個減少到兩個,，功耗降低了近80％,。使用相同的pcb設(shè)置，intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品,。
采用altera無鉛產(chǎn)品輕松達(dá)到
altera在業(yè)界提供的無鉛產(chǎn)品范圍最廣,，1200多個產(chǎn)品具有無鉛封裝。altera作為環(huán)境無污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應(yīng)商,，2002年以來已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬片無鉛產(chǎn)品,。altera的無鉛器件符合eu directive在有害物質(zhì)使用限制(“rohs directive”)no.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(pb),、汞,、鎘、六價鉻,、多溴化聯(lián)苯(pbb)以及多溴化聯(lián)二苯(pbde)等,。采用altera的pld集成非兼容的assp功能，可以輕松完成您的rohs轉(zhuǎn)換,。
結(jié)語
設(shè)計簡化后,，intevac達(dá)到了自己的性能目標(biāo)，極大的降低了元件和生產(chǎn)成本,，提高了nightvista的質(zhì)量和可靠性,。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)上，該解決方案還增加了更多的功能,。intevac在fpga中留出了邏輯資源,，這樣，現(xiàn)場應(yīng)用時,，能夠進一步對攝像機進行更新,。這一解決方案幫助intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設(shè)計開發(fā)流程,，為今后的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省了大量的時間和資源,。