基于ZYNQ-7000开发板的摄像头采集和处理系统实验设计和实现,本文是实验设计硕士学位毕业论文范文跟ZYNQ类毕业论文开题报告范文.
实验设计论文参考文献：
倪宏超,栾 峰,丁 山,佘黎煌,张立立
（东北大学 计算机科学与工程学院,辽宁 沈阳 110169）
摘 要：为了充分发挥ZYNQ-7000系列嵌入式处理器FPGA+ARM异构架构的优势,提出双路OV5640驱动实验的设计方案,具体说明如何完成图像处理算法的基于软硬件两种方法的实验设计与实现,最后通过图像处理运行结果说明该系统为嵌入式教学提供有力支撑.
关键词： ZYNQ-7000；协同设计；OV5640；双目摄像头
基金项目：东北大学计算机科学与工程学院2016年度本科教学改革研究项目“面向工程教育认证的电子信息工程专业教学模式改革研究与实践”（东大计算机院字[2016]7号）.
作者简介：倪宏超,男,在读硕士研究生,研究方向为电子信息工程,1424859366@.com；
栾峰（通信作者）,男,副教授,研究方向为电子信息工程,luanfeng@mail.neu.edu.cn.
0 引 言
随着全可编程SoC容量和性能的不断提高,全面可编程技术已经应用到不同的领域,如通信、汽车电子、大数据处理、机器学习、计算机视觉等.作为全球知名的可编程逻辑器件供应商,Xilinx公司推出的ZYNQ-7000全可编程SoC不但提供了FPGA的灵活性和可扩展性,而且提供了与专用集成电路和专用标准产品相近的性能,其功耗小、易用性强.ZYNQ-7000平台可以应用在包括汽车驾驶员辅助系统、工业组网、机器视觉、医疗诊断和成像等诸多领域[1-4].
图像采集与处理的方案在单片机、DSP和FPGA上都实施过,但这些方案存在功能较单一、可扩展性差、应用有局限性等缺点,而且理论知识体系分散,不利于学生学习和理解,使得学生很难在短时间内形成并掌握一个清晰的嵌入式开发技术体系,因此采用ZYNQ-7000系列平台,通过软硬件协同设计可以实现两路摄像头数据的实时采集.基于图像采集实验在ZYNQ-7000平台上完成全过程的嵌入式开发与设计实验教学,学生可以切实体验到每个实验实现的具体过程,并且真正理解嵌入式开发的技术内涵.
1 图像采集系统的硬件平台
硬件平台的实现主要包括以下几部分：两个OV5640 CMOS芯片,用来实现图像的采集；ZYNQ-7000系列开发板,用来实现摄像头采集、数据存储与传递以及完成图像处理算法；HDMI显示器,用来显示摄像头采集的数据以及经ZYNQ开发板处理之后的结果.
1.1 ZYNQ-7000开发板
ZYNQ-7000系列基于Xilinx全可编程的扩展处理平台结构,芯片内部集成ARM公司双核Cortex-A9处理器的处理系统（PS端）和基于Xilinx逻辑资源的可编程逻辑系统（PL端）.芯片内拥有丰富的资源,PS端的ARM Cortex-A9处理器包含DDR控制器、SPI控制器、C控制器等多种控制器接口,同时提供SD/SDIO控制器、UART控制器等在内的多种I/O接口.PL端包含可配置逻辑块、数字信号处理资源以及模数转换器、HDMI接口、扩展接口等,同时芯片内部借助AXI4协议,数据带宽高达4.8GB/s,实现PS与PL端的高速互联,这些都为用ZYNQ-7000平台实现嵌入式图像传输系统提供有力的支撑[5].
1.2 OV5640摄像头
本实验中采用两片美国OmniVision公司的CMOS图像传感器OV5640,OV5640芯片支持DVP和MIPI接口.为保证OV5640正常工作,需要依次实现以下时序要求：
（1）ResetB拉低,复位OV5640,PWND引脚拉高；
（2）DOVDD和DD两路最好同时上电；
（3）等电源稳定5ms后,拉低PWND；
（4）PWND置低1ms后,拉高ResetB；
（5）20ms后,初始化OV5640的SCCB寄存器设置.
另外,需要对寄存器进行配置,本实验通过FPGA的I2C接口来配置[6].
2 FPGA硬件系统设计
2.1 软核系统搭建
软核具有灵活性高、成本低、使用方便的特点,为嵌入式图像采集提供有力的支撑.ZYNQ-7000芯片具有异构架构的优势,Xilinx通过使用FPGA芯片内所提供的设计资源,将软核进行封装.本实验通过FPGA搭建的硬件系统基本流程如图1所示.
OV5640芯片采集的数据通过FPGA软核VDMA1、VDMA2（在搭建的过程中开启写使能）将数据写入与PS端相连的DDR中,ARM可以针对存储在DDR中的数据完成各种图像处理与分析算法,4个读使能的VDMA在DDR中读取相应的数据,图1中大方框可以将其抽象为HDMI显示器,即4个VDMA从内存中读取的数据在HDMI显示器中显示的结果和图1中大方框一致,其中读VDMA4的数据经过边缘检测算法处理后再输出.四路读VDMA获取的数据均为符合AXI4协议的32位数据,经过32位数据转24位RGB888格式数据后,根据HDMI输出协议,在相应的时序控制下,依次转换为DVI数据输出到HDMI显示器中.
2.2 摄像头驱动
在图1中,硬件直接接收来自OV5640的视频流数据输入,需要对摄像头完成相应的时序操作.由于Xilinx公司提供的软核IP并没有驱动OV5640芯片,因此需要单独编写驱动程序,形成相应的硬件电路,满足摄像头工作的时序要求.OV5640芯片硬件系统如图2所示.
图2中除了包括对OV5640芯片的时序驱动电路以外,还添加8位转16位模块以及16位转32位模块,添加这两个模块与将OV5640芯片配置为GRB565格式采集数据有直接关系.将OV5640配置为RGB565格式,即OV5640芯片用16位描述一个像素点,而OV5640芯片每次只能并行传输8位数据,即芯片传输两组数据才描述一个像素点,因此在用FPGA搭建硬件电路时编写8位转16位模块来描述一个像素点；同时, Xilinx软核支持AXI4协议的数据快速传输,需要将OV5640采集的16位数据转换为32位数据,此功能在16位转32位AXI4模块中完成[7-9].
3 ARM软件系统设计
ZYNQ-7000平台系统的实现主要包括两部分：处理器部分的控制软件和可编程逻辑部分的硬件模块[10].
3.1 OV5640芯片配置模块
通过FPGA的I2C接口实现对OV5640芯片的寄存器设置.我们采用两路I2C实现对两路OV5640芯片的设置操作,根据OV5640芯片的操作方式,将配置寄存器的参数写入数组中,并将数组中的值通过I2C接口传递到OV5640芯片,完成0V5640芯片RGB565、30FPS、720P输出格式的设置.
3.2 VDMA软核配置模块
实验用到6个VDMA软核,其中2个VDMA开启写使能功能,负责将OV5640芯片捕获的数据传输到DDR中；余下4个VDMA开启读使能功能,从DDR中读取数据并传输到HDMI显示器.
在VDMA软核配置模块中,更加突出地体现ARM硬核对FPGA的控制作用.FPGA硬件系统搭建的过程中,调用的软核均采用AXI4协议进行数据通信,AXI4协议除了包含适用于视频流数据快速传输的AXI4-Stream协议,还包含适用于ARM控制FPGA的AXI4-Lite协议.ARM通过AXI-Lite接口实现对FPGA软核的控制,在本实验中包括对初始化、写入内存地址、读取内存地址等的配置操作[11].
图3中描述了4个VDMA在HDMI显示器上的分布,在ARM中,将写VDMA1写入的数据通过读VDMA1显示,将写VDMA2写入的数据通过读VDMA2显示,读VDMA3显示的是写VDMA1写入内存中的数据在ARM中实现边缘检测之后的输出,读VDMA4显示的是写VDMA2写入内存的数据在FPGA中实现边缘检测之后的输出.虽然读VDMA3与读VDMA4显示的均为边缘检测之后的结果,但是两者实现边缘检测的硬件平台不同,分别为基于ARM的软件算法以及基于FPGA的硬件算法.
3.3 边缘检测算法
边缘检测算法要求首先找到图片中物体的边缘,由于边缘处颜色变化一般比较明显,在工程上一般借助卷积滤波器实现,卷积滤波器相当于求导的离散版本.针对图像进行边缘检测,有多种不同的滤波器算子,我们采用如图4所示的Sobel滤波器算子,分别针对图像水平方向的边缘以及竖直方向的边缘,求和得出图像的边缘[12].
4 图像处理系统运行结果
系统运行后显示效果如图5所示,左上方框显示的为左目摄像头采集的图像；右上方框显示的为右目摄像头采集的图像；左下方框显示的是针对左上方框显示图像,在ARM中运行嵌入式软件边缘检测算法后的结果；右下方框显示的是针对右上方框显示图像,在FPGA中运行嵌入式硬件边缘检测算法后的结果.
5 结 语
基于ZYNQ-7000全可编程可扩展处理平台的嵌入式图像采集与处理系统,较好地完成了图像的采集、传输与处理任务,充分体现了ARM+FPGA异构架构的优势,为ZYNQ-7000系列芯片用于嵌入式双目测距、机器人视觉仿生等图像实时分析与处理相关的嵌入式应用提供了有力的支撑.
基于ZYNQ-7000的摄像头采集与处理系统的知识体系和实验内容,已经在电子信息工程专业2013级的毕业设计和2014级的实验实践类课程中开展.很多学生对这套实验所涉及的内容很感兴趣,教学效果调查表明学生“非常满意”,另外,从已毕业学生的反馈中了解到,他们在毕业后的研究和工作中会从这类实验中获益.基于ZYNQ的嵌入式设计实验将理论技术和实践教学有机结合,激发了学生的实践热情和创新思维,以兴趣作为学生学习的原动力,有效地推动了创新型人才的培养.
参考文献：
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（编辑：宋文婷）
小结:本文是适合不知如何写ZYNQ方面的实验设计专业大学硕士和本科毕业论文以及关于实验设计论文开题报告范文和相关职称论文写作参考文献资料.
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