利用FPGA的DSP功能提高圖像處理的實(shí)例分析

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(jī)。該攝像機(jī)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(tuán)隊(duì)決定試驗(yàn)一種替代方案——在可編程邏輯中實(shí)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(jī)中cyclone系列fpga功能框圖

　　dsp基于處理器的實(shí)現(xiàn)方法

　　nightvista電子系統(tǒng)的部分功能包括：

• 攝像機(jī)上電測試和初始化
• 視頻傳感校準(zhǔn)和表征
• 圖像增強(qiáng)管理的自動增益控制
• 圖形、文本和水印屏顯示功能
• 實(shí)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(shí)時時鐘
• 用戶定義的可編程預(yù)置配置
• 通過rs-232與主機(jī)pc進(jìn)行通信
• 攝像機(jī)功能和參數(shù)遠(yuǎn)程更新，攝像機(jī)至主機(jī)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(shí)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(dú)立的時鐘系統(tǒng)，以及各自的振蕩器和電源去耦電路。總體上，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(jī)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(yàn)，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(shí)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。