EDA/PLD中的基于FPGA和ARM的图像采集传输系统

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 0 引言 随着图像处理技术的飞速发展，图像采集处理系统在农业自动化领域的应用逐渐普及。传统的图像采集系统多样，包括基于CCD摄像机、图像采集卡和计算机的系统，以及基于CCD摄像机、解码器、FPGA（现场可编程门阵列）和DSP（数字信号处理器）的系统，还有基于CMOS图像传感器、FPGA和DSP的方案。这些系统在实时性、灵活性和可维护性方面各具特点。在农业实践中，基于CCD、图像采集卡和计算机的系统较为常见。 本文针对实际需求，提出了一种融合了ARM处理器和FPGA的图像快速采集传输系统，旨在充分利用ARM的灵活性和FPGA的并行处理能力，提升系统的性能。ARM（Advanced RISC Machines）是一种32位嵌入式RISC（精简指令集计算）微处理器架构，具备丰富的指令集和编程灵活性。FPGA则以其高速度和并行运算能力，适应图像处理的实时性需求。本设计选用Intel的Xscale PXA255作为ARM处理器，以及Xilinx的Spartan-3XC3S1000 FPGA。 1 系统结构设计 系统主要包括以下几个部分：图像传感器模块、FPGA控制模块、ARM处理器模块、以太网传输模块、SDRAM存储器和FLASH存储器。图像传感器负责采集图像，FPGA对CMOS传感器进行控制，同时负责数据缓存和时序生成。ARM处理器执行图像数据的交换、控制以太网芯片并实现UDP/IP协议，以太网模块用于数据传输。SDRAM用于临时存储图像数据，而FLASH存储系统程序。工作流程为：FPGA将CMOS传感器采集的数据存入双口SRAM，ARM读取数据并存入SDRAM，待一帧图像数据完整后，通过以太网发送至上位机。 2 系统硬件设计 2.1 CMOS图像传感器模块 选择OV9650作为图像采集传感器，它支持多种分辨率和接口，并具备自动曝光、增益控制、白平衡等功能。在VGA格式下，OV9650能提供30 fps的帧速率。 2.2 FPGA模块 选用Xilinx的XC3S1000 FPGA，其内部包含CMOS控制单元、SCCB接口单元、双口RAM和FIFO单元。FPGA负责与图像传感器的交互，控制数据流，并生成外围设备的时序。 2.3 ARM处理器模块 采用Intel的PXA255处理器，运行频率高达400 MHz，配备32 KB指令Cache、32 KB数据Cache和2 KB微数Cache，支持多种外设接口和存储器。SDRAM选用SAMSUNG的K4S561632C-TC75，容量为32 MB，用于图像数据暂存；FLASH选用Intel的E28F128J3A-150，容量16 MB，用作程序存储。 2.4 以太网传输模块 选用SMSC的LAN91C113作为以太网控制器，支持10/100 Mbps速率，内置8 KB FIFO，集成了MAC和PHY层，符合IEEE 802.3标准，用于接收和发送以太网数据。 总结： 该系统创新地结合了ARM和FPGA的优势，构建了一个高效、实时的图像采集传输系统，适用于农业自动化等领域的应用。通过优化的硬件设计，实现了图像数据的快速处理和网络传输，提高了系统的整体性能和可靠性。