基于ARM和CPLD的嵌入式視覺系統

　　隨著嵌入式微處理器技術的進步，32位ARM 處理器系統擁有很高的運算速度和很強的信號處理能力，可以作為視覺系統的處理器，代替PC機來實現簡單的視覺處理算法。下面介紹一種基于ARM和CPLD的嵌入式視覺系統，希望能分享嵌入式視覺開發過程中的一些經驗。

　　1 系統方案與原理

　　在嵌入式視覺的設計中，目前主流的有以下2種方案：

　　方案1圖像傳感器+微處理器(ARM或DSP)+SRAM

　　方案2圖像傳感器+CPLD/FPGA+微處理器+SRAM

　　方案1系統結構緊湊，功耗低。在圖像采集時，圖像傳感器輸出的同步時序信號的識別需要借助ARM的中斷，而中斷處理時，微處理器需要完成程序跳轉、保存上下文等工作[1]，降低了圖像采集的速度，適合對采集速度要求不高、功耗低的場合。

　　方案2借助CPLD來識別圖像傳感器的同步時序信號，不必經過微處理器的中斷，因而系統的采集速度提高，但CPLD的介入會使系統的功耗提高。

　　為了綜合以上2種方案的優勢，在硬件上采用“ARM+CPLD+圖像傳感器+SRAM”。該方案充分利用了CPLD的可編程性，通過軟件編程來兼有方案1的優勢，具體體現在以下方面：

　　① 功耗的高低可以控制。對于功耗有嚴格要求的場合，通過CPLD的可編程性將時序部分的接口與ARM的中斷端口相連，僅僅是組合邏輯的總線相連，可以降低CPLD的功耗從而達到方案1的效果;對于采集速度要求高而功耗要求不高的情況，可以充分發揮CPLD的優勢，利用組合與時序邏輯來實現圖像傳感器輸出同步信號的識別，并將圖像數據寫入SRAM中。

　　② 器件的選擇可以多樣。在硬件設計上，所有總線均與CPLD相連;在軟件設計上，不同的模塊單獨按功能封裝。這樣以CPLD為中心，系統的其他器件均可更換而無需對CPLD部分程序進行改動，有利于系統的功能升級。

　　作為本系統的一種應用，開發了視覺跟蹤的程序，可以在目標和背景顏色對比強烈的情況下對物體進行跟蹤。通過對CMOS攝像頭采集來的數據進行實時處理，根據物體的顏色計算出被追蹤物體的質心坐標。下面分別描述系統各部分的功能。

　　2 系統硬件

　　2.1 硬件組成及連接

　　系統的硬件主要有4部分：CMOS圖像傳感器OV6620、可編程器件CPLD、512 KB的SRAM和32位微處理器LPC2214。

　　OV6620是美國OmniVision公司生產的CMOS圖像傳感器，以其高性能、低功耗適合應用在嵌入式圖像采集系統中，本系統圖像數據的輸入都是通過OV6620采集進來的;可編程器件CPLD采用Altera公司的EPM7128S，用Verilog硬件編程語言在QuartusII下編寫程序;作為系統的數據緩沖，SRAM選用的是IS61LV5128，其隨機訪問的特性為圖像處理程序提供了便利;而LPC2214在PLL(鎖相環)的支持下最高可以運行在60 MHz的頻率下，為圖像的快速處理提供了硬件支持。

　　OV6620集成在一個板卡上，有獨立的17 MHz晶振。輸出3個圖像同步的時序信號：像素時鐘PCLK、幀同步VSYNC和行同步HREF。同時，還可以通過8位或16位的數據總線輸出RGB或YCrCb格式的圖像數據。

　　在硬件設計上，有2個問題需要解決：

　　① 圖像采集的嚴格時序同步;

　　② 雙CPU共享SRAM的總線仲裁。

　　解決第一個問題的關鍵在于如何實時、準確地讀取OV6620的時序輸出信號，據此將圖像數據寫入SRAM中。這里采用的解決方案是用CPLD來實現時序信號的識別以及圖像數據的寫入。CPLD在硬件上可以識別信號的邊沿，速度更快，通過Verilog語言編寫Mealy狀態機來實現圖像數據的SRAM寫入，更加穩定。

　　對于雙CPU共享SRAM，可以通過合理的連接方式來解決。考慮到CPLD的可編程性，將OV6620的數據總線，LPC2214的地址、數據總線以及SRAM的總線都連接到CPLD上。通過編程來控制總線之間的連接，只要在軟件上保證總線的互斥性，即在同一時刻有且僅有一個控制器(CPLD或者LPC2214)來操作SRAM的總線，就可以有效地避免總線沖突。這樣，硬件上的仲裁就可以通過軟件來保證，該過程可以通過在CPLD中編寫多路數據選擇器來實現。

　　各器件之間的連接關系如圖1所示。

　　圖1 系統結構框圖

　　由圖1可見，微處理器的總線接在CPLD上，在對功耗有嚴格要求的場合中，只需要在CPLD中，將OV6620的同步時序信號所對應的引腳與LPC2214連接在CPLD上的中斷引腳相連，系統就可以轉換成方案1的形式。對CPLD而言，引腳相連的僅僅是組合邏輯，降低了功耗。方案1的具體工作過程可見參考文獻[1]。