基于PXA255设计的图像采集传输系统

发布者:心灵飞翔最新更新时间:2012-11-13 来源: 21ic 关键字:FPGA  ARM  图像采集  传输系统 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章
0 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。

2.4 以太网传输模块

    本系统的以太网芯片选用LAN91C113。这是SMSC公司推出的快速以太网10/100 Mbps控制器,支持多种嵌入式处理器主机接口。LAN91C1B内部有8 KB的FIFO,可用于接收和发送数据的存储。此外,LAN91C113芯片还集成了CSMA/CD协议的MAC(媒体访问控制层)和PHY(物理层),IEEE802.3/802.3u-100BASE-TX/10Base-T规范。本系统中,LAN91C113的串行EEPROM接口与AT93C46相连。PXA255访问LAN91C113采用异步静态存储器方式,LAN91C113的地址使能信号AEN与PXA255的静态芯片片选四相连。PXA255与LAN91C113接口示意图如图3所示。[page]

3 系统主要模块的工作原理及实现

3.1 FPGA图像采集的实现

    OV9650的数据输出采用Bayer原始数据输出格式,每个象素同时只输出一种颜色。奇数扫描行输出RGRG…,偶数扫描行输出GBGB…。FPGA负责图像传感器数据的采集。

    上电后,系统首先对CMOS图像采集芯片进行初始化,以确定其工作模式。这些参数受OV9650内部相应寄存器值的控制。FPGA通过控制SCCB总线来完成参数的配置。

    系统配置完毕后,便可进行图像数据的采集。图4和图5是数据采集与输出的时序图。其中VSYNC是场同步信号。HREF是水平同步信号。PCLK是象素数据输出同步信号。HREF为高时即可开始有效数据采集,而PCLK下降沿的到来则表明数据的产生,PCLK每出现一个下降沿,系统便传输一位数据。在HREF为高电平期间,系统共可传输640位数据。在一帧图像中,即VSYNC为低电平期间,HREF会出现480次高电平。而下一个VSYNC信号上升沿的到来则表明分辨率640×480的图像采集过程的结束。

3.2 FPGA与ARM的数据交换

    FPGA内部用一个8 KByte双口SRAM作为图像存储区。为了实现图像数据的实时采集与处理,应使图像数据的采集与外部图像数据的读取同时进行。因此本系统采用双缓存结构。实现方法是把8 KB的SRAM划分成两个大小为4 KB的SRAM(设为SRAM1和SRAM2),每片SRAM一次存储六行图像数据。这样,在同一时刻,一片可用于存储图像数据,另一片可用于外部ARM对图像数据的读取。两块SRAM存储区乒乓式切换。当图像数据写满SRAM1时,FPGA向ARM发送一个中断信号,之后,ARM响应中断并读取SRAM1中的图像数据,同时将其写入到SDRAM中。之后,图像传感器的数据将写入SRAM2,当图像数据写满SRAM2时,FPGA也向ARM发送一个中断信号。ARM响应中断并读取SRAM2中的图像数据.同时将其写人到SDRAM中。之后,图像传感器的数据将再次写入SRAM1。

3.3 以太网数据传输的实现

    为实现图像数据的网络传输,本系统基于PXA255开发了UDP/IP协议实现程序,以将图像数据存储在SDRAM中。一个完整的数据帧格式包括以太网头、IP头、UDP头和一行图像数据,其系统工作流程图见图6所示。上电后,系统将等待FPGA中断,如果中断产生,则由PXA255读取FPGA中的数据并写到SDRAM中。然后判断是否读完一帧图像数据,若读完,则发送UDP包,并将图像数据通过以太网发送到上位机,否则继续等待FPGA中断。

4 结束语

    本文介绍了用ARM和FPGA实现的一个实时图像采集传输系统的设计方案,本系统设计方案采用FPGA技术来为作物识别、杂草识别等图像处理算法的实时实现提供了平台。

关键字:FPGA  ARM  图像采集  传输系统 引用地址:基于PXA255设计的图像采集传输系统

上一篇:高速数据采集系统在基于ARM动态称重系统中的应用
下一篇:基于MCU+DSP的运动控制硬件平台设计

推荐阅读最新更新时间:2024-03-16 13:13

基于MCU+FPGA模式的RFID读写器设计
      射频识别技术RFID是一种非接触的自动识别技术,其基本原理是利用射频信号和空间耦合(电感和电磁耦合)传输特性,实现对被识别物体的自动识别,射频识别系统一般由两部分组成,射频标签(Tag)和射频读写器(Reader)。在RFID应用中,电子标签附着在被识别物体上,当带有射频标签的被识别物品进入读写器的可识读范围内,读写器自动以无接触方式将射频标签中约定的信息读取出来,从而实现自动识别物品和收集物品标志信息的功能。   RFID技术在生产、零售、物流和交通等行业有着广阔的应用前景 。为解决后勤物资在请领、运输、分发等环节中的可视化动态监控问题,在军事物流领域广泛使用RFID技术,其基本用法是在仓库、码头、车站、重要交通
[网络通信]
ARM:智能机市场白热化 芯片设计进度需要再快点
    网易科技讯 5月22日消息,据国外媒体报道,ARM的CEO西蒙·西加斯(Simon Segars)在本周的一次采访中表示,由于智能手机和平板电脑市场竞争的白热化,芯片厂商需要以更快的速度推出新的处理器。 追随苹果的步伐,如三星和HTC这样的厂商也开始一年一度推出自己的旗舰机型,通过配备更好的显示屏、更快的芯片或者更多内存来吸引消费者。 对此,西加斯表示,由于ARM设计的微处理器被绝大多数设备所采用,因此公司必须以更快的速度推出性能更强且能耗更低的芯片。 ARM在完成芯片的设计工作之后,便将其许可给三星、苹果和高通这类厂商生产,后者在对设计进行调整之后,将完成品用在自己的产品上。上周,有报告指出,ARM在其下一
[手机便携]
Microchip发布业界首款集成强大安全子系统和Arm® TrustZone®技术的单片机
Microchip发布业界首款集成强大安全子系统和Arm® TrustZone®技术的单片机 基于Arm Cortex®-M23的新款单片机搭载安全密钥配置解决方案 安全威胁日益复杂,给物联网(IoT)、消费、工业、医疗和其他市场产品开发带来了挑战。这些产品必须具备强大的嵌入式安全性,同时还要求低功耗以延长电池寿命。Microchip Technology Inc.(美国微芯科技公司)今日宣布推出业界首款在单一封装中集成了安全子系统和Arm® TrustZone®技术的PIC32CM LS60单片机(MCU)。新款单片机集成了Microchip的可信平台(Trust Platform)安全子系统,让使用单个单片机而不
[单片机]
Microchip发布业界首款集成强大安全子系统和<font color='red'>Arm</font>® TrustZone®技术的单片机
基于ARM9和μC/OSII的多频道数据采集系统设计
  引言   随着IT技术、电子技术、通信技术、以及自动控制技术的飞速发展,对工业现场数据的高速实时采集就成为电子产品和工业控制技术发展不可避免的一个环节。   本文针对高速实时多任务数据采集中的多任务实现算法以及实时性、实效性和高速性的要求,提出了基于ARM9和μC/OSII操作系统的智能化设计方案,实现了任务优先级动态调度、系统工作参数动态设定、系统内部软件智能化设计,针对低速外围设备进行了系统优化,并提高了系统可靠性改善了内部任务同步性。   1 整体电路设计   整个采集系统的硬件电路如图1所示。首先利用多路调制电路对12路信号进行调制,这部分包含相应的信号转换、抗干扰、以及初步的信号处理等,使得各路采集信号能够达到
[单片机]
基于<font color='red'>ARM</font>9和μC/OSII的多频道数据采集系统设计
可编程模拟IC将FPGA多功能性等优势带入混合信号世界
对于工程师而言,设计、评估和调试带有模拟输入/输出(I/O)接口的混合信号电路始终面临巨大挑战。真实世界与模拟信号链路的微妙之处以及恶劣的工作环境,往往使得看起来简单直接的设计目标成为难以逾越、耗时费力的项目。最终设计需要谨慎权衡模拟与混合信号IC的整合,包括运算放大器、A/D和D/A转换器、比较器、高压驱动器、模拟开关,将这些IC硬件连接在一起,构建成模拟通道。 数字领域专业背景的工程师,不熟悉模拟设计,而模拟设计中的元件选择、物理布局以及成本等问题直接影响基本电路的性能和产品上市时间,使得项目开发举步维艰。对于这些工程师,尤其是习惯使用可编程逻辑器件或FPGA的工程师,模拟电路的设计理念与其习惯性的设计思维相偏离。 不仅如
[模拟电子]
可编程模拟IC将<font color='red'>FPGA</font>多功能性等优势带入混合信号世界
基于FPGA的LED显示屏控制方案
LED(Light Emitting Diode)大屏幕作为现代信息发布的重要媒体,正受到社会各界尤其是商业界和广告界的极大重视,被广泛应用于工业、交通、商业、广告、金融、体育比赛、模拟军事演习、电子景观等领域。随着科技的进步,全彩LED显示屏(RGB三基色)逐渐得到普及应用。   本方案采用Actel的FPGA实现对彩色LED屏的控制,对于系统的可靠性大大增强,而且低成本的单芯片大大减轻了系统的成本。    1.概述   (1)功能概述   选择FPGA实现LED全彩屏的控制,主要考虑系统的性能需求,系统的升级需要以及系统的设计成本等因素。现代社会对信息显示效果的高要求,以及视频数据量的加大,对显示控制器提
[电源管理]
基于<font color='red'>FPGA</font>的LED显示屏控制方案
飞思卡尔、ST结成联盟,汽车处理器市场ARM遭排挤?
随着飞思卡尔半导体和ST携手组建基于PowerPC处理器架构的设计联盟,上世纪90年代靠着处理器授权在移动电话市场发迹的ARM控股公司从此将在汽车电子领域面对暗淡的前景。飞思卡尔和ST声称他们是汽车电子领域最大的IC供应商,他们的设计联盟包括一个位于德国慕尼黑的设计中心,并涉及PowerPC、功率和IGBT技术的交叉授权,此举显示PowerPC将成为汽车行业的标准。 据ST汽车产品组副总裁兼总经理Ugo Carena介绍,ST会继续使用业已投产的、采用ARM内核的处理器系列,但是,PowerPC将用于满足高端系统如驱动总成和信息娱乐系统应用的需求。他认为,PowerPC不会与现有或将来推出的、基于ARM核的处理器直接竞争,但是,
[焦点新闻]
ARM Cortex-M的音频性能解析
近年来,便携式音乐播放器大放异彩,备受人们喜爱。其中的原因有很多,例如海量的压缩音乐内容,数据存储成本不断下降、操作简便和轻松访问不同流行元素的在线音乐内容。消费者对下一代音乐播放器日益挑剔,期盼更长的音频播放时间、更丰富的聆听体验。   由此诞生了 Cortex-M 系列,这是新一代ARM低成本微处理器,采用低功耗设计。Cortex-M3内核和最近发布的Cortex-M4内核基于哈佛架构的3级流水线并采用Thumb-2指令集架构(ISA),内存要求更低。但这些MCU能否胜任音频处理任务?它们能否打造更出色的倾听体验,满足人们的期望?   为了分析这些处理器是否适合处理音频,首先我们以MP3解码器和均衡器为例,大致了解一下音频解码
[模拟电子]
<font color='red'>ARM</font> Cortex-M的音频性能解析
小广播
添点儿料...
无论热点新闻、行业分析、技术干货……
设计资源 培训 开发板 精华推荐

最新单片机文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved