论文导读：系统硬件分为：高清图像采集板、NiosII核心板、单片机接口板三部分。软件由NiosII和单片机软件组成。方案一用工业用高清镜头采集影像，再对模拟视频解码，得到高清视频数据。本系统最终应用为嵌入式，要尽量缩减整机体积，用ISSIIS61WV102416BLL-10TI，1Mx16Bit高速SRAM作为系统数据处理空间，用SAMSUNGK4S641632H-TC75，1Mx16Bitx4Bank高速SDRAM作为程序空间，另外配置串行加密芯片AtmelAT88SC0104C，作为对知识产权的保护。
关键词：NiosII，嵌入式，高清，视觉，单片机
总体结构
系统硬件分为：高清图像采集板、NiosII核心板、单片机接口板三部分。软件由NiosII和单片机软件组成。考虑到程序的标准化、可移植性，NiosII程序和单片机程序都使用标准C编写。
高清图像采集
方案一用工业用高清镜头采集影像，再对模拟视频解码，得到高清视频数据。解码芯片可选AD的ADV7181C，10位集成多格式标清高清视频解码器，四个10位ADC采样速率最高110MHz，支持720p/1080i高清分量，最高对1024x768、70Hz（XGA）RGB图形进行数字化处理。科技论文。或TI TVP5150AM1，超低功耗优化架构，工作状态下功耗仅为113mW，只需一个晶振就能支持所有标准，可通过I2C对亮度、对比度、饱和度、色调、锐度等控制，功能强大使用方便。或飞利浦SAA7114H，该芯片最多允许6个复合视频输入，显示比例调整分辨率调整,解码精度高支持视频窗口缩放。科技论文。此方案成本高体积大。
方案二用高清图像传感器采集，直接输出高清图像数据。从芯片的性能指标、价格供货、技术支持、开发难易程度等方面考虑，Omni公司的OV9712芯片较为合适。该传感器为1/4”标清高清CMOS图像传感器，像素尺寸3.0um，内置OmniPixel3-HS技术，可提供WXGA（1280X800）分辨率、640x480、HD720p三种格式图像，10bit彩色rawRGB并行图像数据输出，PLL锁相环，高信噪比图像质量，镜头校正，画面缺陷补偿。该方案成本百元左右，硬件简单性能稳定，符合实际要求。
设计OV9712采集电路时，要使用独立电源，电路板上尽量减小信号线长度及避免上下层平行布线，电源芯片放在板子外侧。外围器件尽量以OV9712要求参数一致，电路中模拟地与数字地分开走线最后汇集一点。OV9712有效图像传感区域不在芯片中间位置，而是偏右偏上，为了使目标图像能处于画面中心，绘制电路板时要注意调整芯片位置，具体尺寸参见OV9712器件手册。
Nios核心板
FPGA芯片选型比较如下：
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Xilinx |
Altera |
| DSP |
多达2016个DSP48 slice，最高1000GMAC/s处理性能，38MB内部专用RAM |
28nm高效实时浮点高精度可调功能，18位DSP结构，1840GMAC/s处理能力，内嵌式HardCopy模块和集成硬IP核 |
| 功耗 |
40nm工艺，功耗降低50％到30％ |
65到28nm工艺结构，功耗较前代降低50％ |
| 速度 |
2种11-Gbps串行收发器 |
28-Gbps收发器，超带宽超高性能40G/100G/400G应用 |
| Matlab Simulink |
ISE System Genarator for DSP高级工具，Matab/Simulink高级建模，自动代码生成 |
Simulink/DSP Builder快速简单高效易用，产生代码效率可与手工媲美，高性能DSP Builder模块 |
| IP库 |
免费提供滤波器、构建模块、变换、相关器、三角函数、调制解调、压缩库 选购：图像处理、视频转换器 |
免费使用滤波、调制解调、变换、加解密、相关、检查纠错、图像和视频处理、语音和音频处理、运算、信号产生、同步等 |
根据上表比较结果及系统要求，选择Altera FPGA较为合适。科技论文。
设计NiosII电路与设计通用FPGA电路有所不同，在设计时要考虑到在使用SOPCBuilder里器件模块时，要按照模块的接口要求和管脚定义构建系统，并且根据SOPCBuilder系统的搭建来绘制原理图，制做电路板。本系统最终应用为嵌入式，要尽量缩减整机体积，用ISSI IS61WV102416BLL-10TI，1Mx16Bit高速SRAM作为系统数据处理空间，用SAMSUNG K4S641632H-TC75，1Mx16Bitx4Bank高速SDRAM作为程序空间，另外配置串行加密芯片Atmel AT88SC0104C，作为对知识产权的保护。
单片机接口板
单片机的比较如下：
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STC宏晶 |
Microchip |
MSP430 |
C8051F |
| 运算处理能力 |
一般 |
1.56DMIPS/MHs CPU Core，8ch DMA Controller |
32Bit硬件乘法器 |
16x16硬件乘法器 |
| 内部资源 |
8路10Bit ADC，2048K EEPROM，4路PWM输出，双串口等 |
10/100 Ethernet， 16路10Bit ADC，USB2.0，5路PWM输出，6串口，双I2C，双CAN 2.0口 |
内部LDO，16路12Bit ADC， |
双串口，USB2.0，32路12Bit ADC，2路12Bit DAC， |
| 功耗 |
低功耗、低电压设计 |
低功耗、低电压设计 |
超低功耗 |
低功耗、低电压设计 |
| 成本 |
很低 |
较高 |
一般 |
较高 |
| I/O资源 |
最多44个I/O |
最多53个I/O |
最多87个I/O |
最多64个I/O |
| 抗干扰能力 |
抗干扰能力强，轻松过2万伏静电干扰测试 |
较强 |
一般 |
一般 |
单片机实现功能如下：通过I2C对ADV7393进行配置；通过串口与FPGA通讯，通过另一串口与外部设备通讯；外部多路5～30VDC信号输入；对外预留标准8位I/O；3路固态继电器输出；照明控制，成本低；不需高速数据处理；抗干扰能力强。基于以上要求选STC单片机较合适，芯片型号为STC12LE5A32S2。要实现照明灯亮暗变化控制，这里使用STC单片机的PWM功能，由于PWM电流输出一定，为使照明达到一定亮度，在PWM输出后，加一级运放和跟随器，之后经过一级电流驱动再点亮照明。继电器选用两种封装一样负载电压不同的固态继电器。一是直流固态继电器LRSSR-P-DD，控制电压3～32VDC，负载电压2～150VDC/1～5A。一是交流固态继电器LRSSR-P，控制电压3～32VDC，负载电压28～280VAC/1～3A。可根据不同应用选取使用。
系统软件
系统软件用标准C编写便于做数据处理算法运算。图像算法先由Matlab进行模型仿真，成功后再将算法由Matlab转换为标准C程序，写入NiosII的C代码中编译下载，检测系统是否运行正常。Nios软件编写注意要使用16位指令函数，在SRAM中对数据高速分析处理，在SDRAM中对OSD等设置信息处理，实时读取加密芯片。单片机通过I2C对ADV7393初始化，通过串口等待FPGA命令，实现继电器、IO、串口、照明的控制。单片机检测串口及输入IO，将外部状态及时反馈FPGA。
7. 结束语
实验证明，由上述硬件级软件设计方法制做出的样机，整机硬件性能符合设计要求，可较好的实现硬件功能，配合相应算法软件，系统能较好的完成对视频数据进行采集、识别、分析处理功能。
参考文献：
[1] 孙恺,程世恒. NiosⅡ系统开发设计与应用实例[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007.
[2] 蔡伟纲. NiosⅡ软件架构解析[M]. 西安：西安电子科技大学出版社，2007.
[3] 华清远见嵌入式培训中心. FPGA应用开发入门与典型实例. 北京：人民邮电出版社，2008.
[4] 赵建领. 51单片机开发与应用技术详解(珍藏版).北京：电子工业出版社，2009.
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