基于FPGA和ARM的彩色图像处理系统

引言

图像处理技术的快速发展，使得图像采集处理系统在提高农业生产自动化程度中的应用越来越广泛。目前的图像采集系统有的基于CCD摄像机、图像采集卡和计算机，有的基于CCD摄像机、解码器、FPGA和DSP，而有的基于CMOS图像传感器芯片、FPGA和DSP，它们在实时性，灵活性，可维护性方面各有优缺点。而在农业生产中，以基于CCD摄像机、图像采集卡和计算机的系统居多。本文结合实际系统中的前端图像处理和图像数据传输需要．充分利用ARM的灵活性和FPGA的并行性特点，设计了一种基于ARM+FPGA的图像快速采集传输系统。所选的ARM (Ad-vanced RISC Machines)体系结构是32位嵌入式RISC微处理器结构，该微处理器拥有丰富的指令集且编程灵活。而FPGA(Field ProgrammableGate Array)则在速度和并行运算方面有很大优势，适合图像处理的实时性要求。本文选用Intel公司的Xcale PXA255和Xilinx公司的Spartan-3XC3S1000来实现本系统的设计。

1 系统结构设计

本系统的结构框图如图1所示。图中，图像传感器模块负责图像采集，FPGA用来控制CMOS图像传感器芯片，ARM负责图像数据的交换、以太网芯片的控制及UDP／IP协议的实现，以太网模块主要实现以太网数据传输，SDRAM用于存储图像数据，FLASH为程序存储器。系统工作时，先由FPGA将 CMOS传感器采集的数据存储到双口SRAM，再由ARM从FPGA的双口SRAM中读取数据并存储到SDRAM，存满一帧图像数据后，ARM便通过以太网芯片将数据发送给上位机。

2 系统硬件设计

2.1 CMOS图像传感器模块

本系统采用 OV9650作为图像采集传感器。OV9650是Omni Vision公司的彩色CMOS图像传感器，可支持SXVGA，VGA，QVGA，QQVGA，CIF，QCIF，QQCIF模式和SCCB接口，并具有自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动带通滤波、自动黑级校准等功能。OV9650的最大帧速率在VGA格式时为30 fps，在SXVGA格式时为15 fps。本系统采用VGA格式。

2.2 FPGA模块

FPGA主要用于图像传感器的控制、图像数据的缓存及外围芯片时序的产生。考虑到图像处理算法的实现需要，本系统选用了Xilinx公司的XC3S1000，它属于 SPARTAN-3系列，容量为100万门。在本设计中，FPGA通常运行于80 MHz。XC3S1000与OV9650的接口电路示意图如图2所示。FPGA的内部结构包括CMOS控制单元、SC-CB接口单元、双口RAM单元、 FIFO单元等。其中CMOS控制单元又包括帧同步模块、场同步模块、像素时钟模块等。

2.3 ARM处理器模块

本系统的ARM处理器选用PXA255，用于实现图像数据交换和以太网数据传输等功能。PXA255是Intel公司推出的基于第五代ARM RISC体系结构ARMV5TE的微处理器。CPU的运行频率最高为400 MHz，有32 KB指令Cache，32 KB数据Cache，2 KB微数Cache，并带有丰富的串行外设接口，并可支持各种存储器芯片。本系统采用两片SDRAM和两片FLASH存储器，其中SDRAM用于图像数据暂存，本系统选用SAMSUNG公司的K4S561632C-TC75，容量为32 MB。而FLASH程序存储器则选用Intel公司的E28F128J3A-150来作为NOR FLASH，容量为16 MB。