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采用FPGA集成DSP功能,提高成像应用的性能




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      Intevac是商用和军用市场光学产品的前沿开发商。本文介绍该公司NightVista嵌入式电子系统的开发,该产品是高性能超低亮度紧凑型摄像机。该摄像机最初采用了流行的数字信号处理器、几个ASSP和外部存储器件。系统对性能的需求越来越高,工程师团队决定试验一种替代方案——在可编程逻辑中实现可配置软核处理器。这一决定带来了以下好处:  达到了目标所要求的性能   在单个FPGA中集成了分立的元件和数字信号处理(DSP)功能功耗降低了近80%   将五块元件板缩减到一块,显著降低了成本  缩短了开发时间。

Intevac NightVista摄像机中Cyclone系列FPGA功能框图

图1  Intevac NightVista摄像机中Cyclone系列FPGA功能框图

      DSP基于处理器的实现方法NightVista电子系统的部分功能包括: 

      摄像机上电测试和初始化  
 

    视频传感校准和表征   
      图像增强管理的自动增益控制  
      图形、文本和水印屏显示功能   
      实时自适应对比度调整   
      Gamma校正、视频停帧捕获,并存储至闪存  
      实时时钟  
      用户定义的可编程预置配置  
      通过RS-232与主机PC进行通信   
      摄像机功能和参数远程更新,摄像机至主机PC视频数据传送

      Intevac开发NightVista电子产品的最初方法是采用数字信号处理器。除了处理器之外,还需要其他几个主要部件,包括NTSC视频编码器、一个RS-232接口、多个锁相环(PLL)、实现各种逻辑功能的CPLD,以及几个存储器(FIFO、SDRAM和闪存)。此外,这些部件需要四个不同的工作电压(需要四个电源稳压器和不同的PCB板层),四个独立的时钟系统,以及各自的振荡器和电源去耦电路。总体上,这些部件占用了五块PCB,每一块电路板大约两平方英寸,堆叠在该摄像机两英寸见方的外壳中。

      硬件开发了几个月之后,大家清楚的认识到该解决方案难以达到Intevac为NightVista设定的性能目标,重量和功耗令人难以接受。而且,由于高密度堆叠的PCB功耗很大,带来了明显的热管理问题。Intevac决定中断基于数字信号处理器的设计,转而采用基于FPGA的混合逻辑和软核微处理器方案。Intevac并没有使用集成微处理器可编程逻辑的经验,但是一个使用Altera演示板的评估方案很有吸引力,其最新的低成本FPGA能够将一个完整的32位RISC处理器和存储器模块、PLL以及大量的逻辑资源集成到一起,实现专用视频信号处理功能。在FPGA中集成PLL可以解决与电路板级多时钟系统相关的大量问题。

      工程师团队考虑了多种因素,包括: 

      多种FPGA系列的性能和特性  
      提供知识产权(IP)内核  
      多个供应商的器件集成技术和业务能力   
      提供成熟的硬件和软件开发工具   
      供应商支持资源的可靠性 

     分析了以上因素后,公司决定购买在Altera Cyclone FPGA中实现Altera Nios处理器的解决方案。FPGA的功能如图1所示。

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