利用FPGA的DSP功能提高圖像處理的實例分析

intevac是商用和軍用市場光學產品的前沿開發商。本文介紹該公司nightvista嵌入式電子系統的開發，該產品是高性能超低亮度緊湊型攝像機。該攝像機最初采用了流行的數字信號處理器、幾個assp和外部存儲器件。系統對性能的需求越來越高，工程師團隊決定試驗一種替代方案——在可編程邏輯中實現可配置軟核處理器。這一決定帶來了以下好處：

• 達到了目標所要求的性能
• 在單個fpga中集成了分立的元件和數字信號處理(dsp target=_blank>dsp)功能
• 功耗降低了近80%
• 將五塊元件板縮減到一塊，顯著降低了成本
• 縮短了開發時間

圖1 intevac nightvista攝像機中cyclone系列fpga功能框圖

　　dsp基于處理器的實現方法

　　nightvista電子系統的部分功能包括：

• 攝像機上電測試和初始化
• 視頻傳感校準和表征
• 圖像增強管理的自動增益控制
• 圖形、文本和水印屏顯示功能
• 實時自適應對比度調整
• gamma校正、視頻停幀捕獲，并存儲至閃存
• 實時時鐘
• 用戶定義的可編程預置配置
• 通過rs-232與主機pc進行通信
• 攝像機功能和參數遠程更新，攝像機至主機pc視頻數據傳送

　　intevac開發nightvista電子產品的最初方法是采用數字信號處理器。除了處理器之外，還需要其他幾個主要部件，包括ntsc視頻編碼器、一個rs-232接口、多個鎖相環(pll)、實現各種邏輯功能的cpld，以及幾個存儲器(fifo、sdram和閃存)。此外，這些部件需要四個不同的工作電壓(需要四個電源穩壓器和不同的pcb板層)，四個獨立的時鐘系統，以及各自的振蕩器和電源去耦電路。總體上，這些部件占用了五塊pcb，每一塊電路板大約兩平方英寸，堆疊在該攝像機兩英寸見方的外殼中。

　　硬件開發了幾個月之后，大家清楚的認識到該解決方案難以達到intevac為nightvista設定的性能目標，重量和功耗令人難以接受。而且，由于高密度堆疊的pcb功耗很大，帶來了明顯的熱管理問題。intevac決定中斷基于數字信號處理器的設計，轉而采用基于fpga的混合邏輯和軟核微處理器方案。intevac并沒有使用集成微處理器可編程邏輯的經驗，但是一個使用altera演示板的評估方案很有吸引力，其最新的低成本fpga能夠將一個完整的32位risc處理器和存儲器模塊、pll以及大量的邏輯資源集成到一起，實現專用視頻信號處理功能。在fpga中集成pll可以解決與電路板級多時鐘系統相關的大量問題。