1.概述

隨著圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展，圖像采集處理系統(tǒng)在提高工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本文結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)中的前端圖像處理和圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰浞掷肁RM的靈活性和FPGA的并行性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ARM+FPGA的高速圖像數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。所選用的ARM體系結(jié)構(gòu)是32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)，該微處理器擁有豐富的指令集且編程靈活;而FPGA則在速度和并行運(yùn)算方面有很大優(yōu)勢(shì)，適合圖像處理的實(shí)時(shí)性要求;并且通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)了采集板與上位機(jī)之間圖像數(shù)據(jù)的高速遠(yuǎn)程傳輸。

2.硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的ARM芯片為三星公司的S3C2440A、FPGA芯片為Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan系列的S3C500E芯片，系統(tǒng)組成還包括千兆以太網(wǎng)控制芯片AX88180、千兆PHY芯片88E1111、存儲(chǔ)器、嵌入式Linux、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序等(如圖1所示)。

本設(shè)計(jì)的主控芯片S3C2440A是基于ARM920T核的16/32位RISC微處理器，采用了0.13um的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲(chǔ)器單元，運(yùn)行頻率高達(dá)500MHz.ARM920T 實(shí)現(xiàn)了MMU,AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache.每個(gè)都是由具有8字長(zhǎng)的行組成。通過(guò)提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440A減少整體系統(tǒng)成本和無(wú)需配置額外的組件。它主要面向手持設(shè)備以及高性?xún)r(jià)比、低功耗的應(yīng)用，具有非常豐富的片上資源。

FPGA芯片S3C500E主要用于圖像傳感器的控制、圖像數(shù)據(jù)的緩存及外圍芯片時(shí)序的產(chǎn)生。它通過(guò)控制A/D實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，并保存至SRAM,對(duì)ARM的讀寫(xiě)信號(hào)進(jìn)行譯碼以將目標(biāo)數(shù)據(jù)讀回ARM并傳到上位機(jī)。

ARM芯片S3C2440A負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制，它通過(guò)讀寫(xiě)總線(xiàn)上的地址來(lái)進(jìn)行指令和數(shù)據(jù)的傳輸以控制FPGA的所有動(dòng)作[1-2].嵌入式Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)的管理并集成TCP/IP協(xié)議，方便實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能。

S3C2440A與AX88180以總線(xiàn)方式連接，是通信控制的主體。S3C2440A通過(guò)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)AX88180內(nèi)部寄存器編程，以及對(duì)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，從而完成網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

AX88180與88E1111之間采用RGMII接口方式互連，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送底層協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。

2.2 數(shù)據(jù)采集接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集接口的設(shè)計(jì)，它是數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃瑫r(shí)也是連接系統(tǒng)前后端的橋梁。本系統(tǒng)采用S3C2440A和S3C500E配合共同實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集。

直接內(nèi)存存取(DMA)作為一種獨(dú)立于CPU的后臺(tái)批量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，以其快速、高效的特點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中，S3C2440A采用外部DMA方式采集FPGA內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，其接口信號(hào)連接如圖2所示。

接口設(shè)計(jì)的FPGA部分主要包括異步FIFO模塊、復(fù)位模塊和數(shù)據(jù)緩沖模塊組成.異步FIFO模塊主要解決圖像輸出數(shù)據(jù)頻率和數(shù)據(jù)采集的頻率不匹配的問(wèn)題，系統(tǒng)采用的異步FIFO寬度為8bits,深度為2048.復(fù)位模塊在控制信號(hào)的作用下實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的FIFO的復(fù)位控制。

系統(tǒng)采用DMA通道0采集圖像數(shù)據(jù)。

其中，DREQ0和DACK0分別為DMA的請(qǐng)求和應(yīng)答信號(hào)。FPGA的空信號(hào)EMPTY與DREQ0相連，讀請(qǐng)求RDREQ與DACK0相連。FPGA寫(xiě)時(shí)鐘由圖像輸出位同步信號(hào)提供，讀時(shí)鐘由S3C2440A的時(shí)鐘輸出引腳CLKOUT0提供。CLKOUT0根據(jù)S3C2440A內(nèi)部寄存器的設(shè)置可以輸出幾種不同的時(shí)鐘頻率。FIFO的讀操作與ARM的DMA操作配合進(jìn)行。系統(tǒng)采用單服務(wù)命令模式的DMA操作，每次傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)位。當(dāng)DREQ0信號(hào)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)DMA操作開(kāi)始，每次傳輸一個(gè)字節(jié)后產(chǎn)生一個(gè)DACK0應(yīng)答信號(hào)，而且只要DREQ0為低電平DMA操作就繼續(xù)進(jìn)行，直到DMA控制寄存器中的計(jì)數(shù)器為0,產(chǎn)生DMA中斷。根據(jù)上述時(shí)序特點(diǎn)，將FIFO的空信號(hào)作為DMA的請(qǐng)求信號(hào)DREQ0.當(dāng)圖像輸出的數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO中時(shí)，空信號(hào)跳變?yōu)榈碗娖絾?dòng)DMA操作，同時(shí)以DACK0信號(hào)作為FIFO的讀請(qǐng)求。每次DMA操作后產(chǎn)生的應(yīng)答信號(hào)DACK0使FIFO內(nèi)部的讀指針前移1位指向下次要讀出的數(shù)據(jù)。F-RESET和H-RESET分別控制FPGA內(nèi)的幀同步復(fù)位和行同步復(fù)位，保證系統(tǒng)在每幀信號(hào)到來(lái)時(shí)開(kāi)始工作，同時(shí)每采集完一行信號(hào)復(fù)位FIFO.FIFO輸出數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)以nGCS4為選通信號(hào)的BUFFER后接到ARM的數(shù)據(jù)總線(xiàn)上。nGCS4是S3C2440A存儲(chǔ)空間中BANK4的片選信號(hào)，當(dāng)S3C2440A對(duì)地址范圍0×20000000~0×28000000的存儲(chǔ)空間進(jìn)行讀寫(xiě)操作時(shí)為低電平，其余時(shí)間為高電平，NGCS4作為緩沖模塊的選通信號(hào)可以有效地避免數(shù)據(jù)總線(xiàn)的污染。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的以太網(wǎng)控制器為臺(tái)灣亞信公司推出的一款Non-PCI千兆以太網(wǎng)控制芯片AX88180.其內(nèi)置1000Mbps以太網(wǎng)媒體存取控制器(MAC);它可以十分方便地實(shí)現(xiàn)與一般16/32位微處理器連接，并且可以像SRAM一樣被訪(fǎng)問(wèn);它有40KBytesSRAM網(wǎng)絡(luò)封包緩存器。它符合IEEE802.3/IEEE802.3u/IEEE802.3ab協(xié)議，可廣泛應(yīng)用于各種消費(fèi)電子和家庭網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)或要求更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬連接，如數(shù)字媒體、家用網(wǎng)關(guān)及IP電視等。

嵌入式芯片S3C2440A、以太網(wǎng)控制器AX88180及物理層芯片88E1111的接口電路圖如圖3所示。

S3C2440A與AX88180之間采用總線(xiàn)方式相連，地址總線(xiàn)A2~A15、數(shù)據(jù)總線(xiàn)D0~D31、讀寫(xiě)信號(hào)等可以直接連接，AX88180中斷信號(hào)與S3C2440A EINT11相連，AX88180的40M~100M時(shí)鐘信號(hào)由S3C2440A提供，整個(gè)接口電路無(wú)需外加電路;AX88180與PHY芯片之間采用簡(jiǎn)化千兆比特媒體RGMII接口，信號(hào)對(duì)應(yīng) 相連，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送底層協(xié)議[5].

3.Linux驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

FPGA作為ARM的外設(shè)，需要設(shè)計(jì)它在Linux下的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽硬件的細(xì)節(jié)。硬件系統(tǒng)只有和高效可靠的驅(qū)動(dòng)程序相結(jié)合才能在操作系統(tǒng)下正常工作。

Linux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要完成如下功能：

①對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化和釋放。

②提供各類(lèi)設(shè)備服務(wù)。

③負(fù)責(zé)內(nèi)核和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。

④檢測(cè)和處理設(shè)備工作過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

Linux下的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序被組織成一組完成不同任務(wù)的函數(shù)集合，通過(guò)這些函數(shù)使Windows的設(shè)備操作猶如文件一般。

Linux將設(shè)備分為字符設(shè)備和塊設(shè)備兩類(lèi)。我們使用的是字符設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序的模塊化我們先不做介紹，我們主要介紹Linux下的中斷[6].Linux將中斷處理程序分解成兩個(gè)半部：上半部和下半部。上半部完成盡可能少的比較緊急的功能，下半部用來(lái)完成中斷事件的絕大部分任務(wù)。因?yàn)橹袛嗟暮臅r(shí)工作在這里完成，所以將讀取數(shù)據(jù)放在下半部完成。Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)下半部采用的機(jī)制主要有tasklet、工作隊(duì)列和軟中斷。許多設(shè)備涉及到中斷操作，因此，在這樣的設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序中需要對(duì)硬件產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求提供中斷服務(wù)程序。與注冊(cè)基本入口點(diǎn)一樣，驅(qū)動(dòng)程序也要請(qǐng)求內(nèi)核將特定的中斷請(qǐng)求和中斷服務(wù)程序聯(lián)系在一起。在Linux中，用request_irq()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)請(qǐng)求：

int request_irq(unsigned intirq,void(*handler)int,unsigned longtype,char*name);

參數(shù)irq為要中斷請(qǐng)求號(hào)，參數(shù)handler為指向中斷服務(wù)程序的指針，參數(shù)type用來(lái)確定是正常中斷還是快速中斷(正常中斷指中斷服務(wù)子程序返回后，內(nèi)核可以執(zhí)行調(diào)度程序來(lái)確定將運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程;而快速中斷是指中斷服務(wù)子程序返回后，立即執(zhí)行被中斷程序，正常中斷type取值為0,快速中斷type取值為SA_INTERRUPT)，參數(shù)name是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的名稱(chēng)。

我們的中斷處理函數(shù)是：

void fpgalc12_interrupt(int irq,void*dev_id,struct pt_regs*regs)。

Irqflags是中斷處理的屬性，若設(shè)置了SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，快速處理程序被調(diào)用時(shí)屏蔽所有中斷，而慢速處理程序不屏蔽。dev_id在中斷共享時(shí)會(huì)用到，一般設(shè)置為這個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)體或NULL.request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號(hào)無(wú)效或處理函數(shù)指針為NULL,返回-EBUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。這兩個(gè)函數(shù)分別要在初始化和釋放模塊中加載。

要在Linux申請(qǐng)了中斷通道后，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)外部中斷IRQ_EINT0,從而進(jìn)入中斷處理序。中斷處理程序功能就是將有關(guān)中斷接收的信息反饋給設(shè)備，并根據(jù)要服務(wù)的中斷的不同含義相應(yīng)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)[7-8].所以FPGA中斷處理的主要任務(wù)是：FIFO在接收到AD轉(zhuǎn)換來(lái)的數(shù)據(jù)后，向ARM發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，讓ARM來(lái)讀取FPGA中FIFO狀態(tài)寄存器的值，獲取需要信息并安排接受數(shù)據(jù)，然后寫(xiě)狀態(tài)寄存器清除相關(guān)中斷位以繼續(xù)響應(yīng)中斷，保證數(shù)據(jù)的有效傳輸。

中斷處理程序的第一步是要先清除S3C2440A的中斷懸掛寄存器和中斷源寄存器相應(yīng)的位。這是為了能夠繼續(xù)響應(yīng)FPGA產(chǎn)生的中斷。為了能夠讓FIFO能及時(shí)的接收到新數(shù)據(jù)，把寫(xiě)狀態(tài)寄存器放到中斷的一開(kāi)始，即第二步就是寫(xiě)狀態(tài)寄存器相應(yīng)位，通過(guò)置1清除狀態(tài)使AD中斷能夠繼續(xù)產(chǎn)生。最后讀取FIFO的數(shù)據(jù)。使用中斷后數(shù)據(jù)的傳輸效率大大得到提高，能夠滿(mǎn)足實(shí)際的采集需要。

4.結(jié)束語(yǔ)

本方案中的采集板充分利用了ARM的靈活性和FPGA的并行性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了適用于高速數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計(jì)。方案采用S3C2440A作為主控芯片，通過(guò)千兆以太網(wǎng)接口實(shí)時(shí)地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)PC機(jī)，上位機(jī)可實(shí)時(shí)控制目標(biāo)數(shù)據(jù)采集。FPGA芯片在控制A/D轉(zhuǎn)換芯片的同時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SRAM中，并通過(guò)DMA接口與S3C2440A進(jìn)行數(shù)據(jù)傳