基于FPGA的嵌入式实时图像监控系统浅析

目前，图像监控系统大多采用PC和视频采集卡作为系统主要部分，基于嵌入式技术的图像监控系统设备在我国还只是起步阶 段，没有成熟的产品应用。这一现状的根本原因就是我国在开发这类产品时，没有统一的开发标准和共用的开发平台，而且没有可靠的功能和性能测试标准，各个企 业的开发技术力量分散，极大的影响了该类产品开发的效率和可靠性。而制造出来的产品同国外同类产品相比，功能相差太大，没有竞争力，市场基本上被国外公司 所占领。因此，开发一个该类嵌入式系统势在必行。

系统总体方案

为了实现自动图像报警和图像采集，本文设计了动体检测算法，这是因为绝大多数情况下我们只对监控区域中运动的物体感兴 趣，这样可以过滤掉只包含静态背景的图像，从而降低了对有限的嵌入式硬件资源的消耗。由于活动物体大多是人，而且这也是图像监控的目标，为此加入了人体信 号探测器，用以辅助动体检测，以达到降低图像报警误报率的目的。本系统主要集成了图像采集、控制和存储等器件或芯片，组成了以FPGA为控制核心的实时图 像监控系统。系统的总体方案如图1所示。

系统工作流程为：系统上电后，FPGA从外部EEPROM自动加载程序，I2C模块对CIS进行初始化工作参数配置。 CIS向FPGA输入图像数据信号，FPGA将采集的原始数据（RAW）转换成RGB格式，帧缓冲模块（Frame Buffer）每次将相邻两帧图像数据写入SDRAM，然后比较这两帧图像的差值，如果差值大于设定的阈值，并且人体探测器输出高电平，就认为检测到了外 界场景的运动，系统会自动将捕获的图像输出到SD卡进行存储。图2给出了系统的工作流程。

图3 电源电路原理图

系统硬件设计与实现

图像监控系统处理的数据量较大，同时还要满足实时性要求，因此板载电路需要选用容量较大，速度较快的器件。本系统采集的 一帧图像分辨率大小为640&TImes;480，色深是24位，检测时需要在SDRAM缓存两帧，因此SDRAM的容量必须大于1.8M字节 （640&TImes;480&TImes;3&TImes;2=1843200字节），由于每个像素位宽为24位，同时NIOS是32位的处理器，所以SDRAM的位宽最好是32位。外部提 供给FPGA的晶振频率必须大于CIS的像素时钟25MHz。考虑到检测算法需要较多的逻辑资源，因此FPGA的片内LE要很丰富，另外FPGA的管脚必 须要满足外部器件连接的要求，在本系统中要实现所有器件的I/O口相连，FPGA的I/O管脚必须大于150个。由于电路原理图较多，这里只给出其中的一 部分。

主控制芯片电路

本系统选用的Cyclone系列FPGA器件的具体型号是EPlCl2Q240C8。逻辑资源达12060个逻辑单元 （LE，Logic Elements），片内RAM的容量为239616bits。完全可以满足图像采集的设计要求。其内核供电采用1.5V、0.13um工艺，功耗较低。 Cyclone器件支持各种单端I/O接口标准，如3.3V、2.5V、1.8V、LVTTL、LVCMOS、SSTL。Cyclone器件具有两个可编 程锁相环（PLL）和八个全局时钟线，提供健全的时钟管理和频率合成功能，实现最大的系统性能。Cyclone器件具有高级外部存储器接口，允许设计者将 外部单数据率（SDR）SDRAM，双数据率（DDR）、SDRAM和DDR FCRAM器件集成到复杂系统设计中，而不会降低数据访问的性能。Cyclone系列FPGA器件基于一种全新的低成本架构，从设计之初就充分考虑了成本 的节省，因此可以为价格敏感的应用提供全新的可编程的解决方案。

电源电路

一般而言，FPGA器件出于芯片设计、多电平接口的需要，电源都分为两组：VCCINT和VCCIO，即内核电源和 I/O电源，随着芯片内部连线尺度的逐渐减小，核心电源电压和接口电压也越来越低。本设计中EPlCl2器件的VCCINT为1.5V，VCCIO为 3.3V。目前总的来说有三种电源解决方案，分别是线性稳压器电源（LDO）、开关稳压器电源和电源模块。

LDO线性稳压器适用于降压变换，具体效果与输入/输出电压比有关。从基本原理来说，LDO根据负载电阻的变化情况来调节自身的内电阻，从而保证稳压输出端的电压不变。其变换效率可以简单地看作输出与输入电压之比。

由于采用线性调节原理，LDO本质上没有输出纹波。与LDO相比，DC/DC调整器输出纹波电压较大、瞬时恢复时间较 慢、容易产生电磁干扰（EMI）。系统电源输入电压为5V，3.3V电压供电部分采用了ASl084；此外，对于FPGA的PLL工作需要的1.5V电源 部分，采用AMS1117-1.5 LDO来实现。

由于Altera的PLL是模拟电路实现的，其对电源噪声比较敏感，所以在设计PCB的时候，对给PU的供电部分要做一些特殊的处理。即使在设计中没有用到PLL也必须给其供电。

本系统中选用的EPlCl2F400C8芯片的输入输出接口电压为3.3V，内核电压降低到1.5V，这样可以降低功 耗，有利于系统的稳定，但也给电源供电和其它芯片的选择带来了麻烦，系统中其它芯片的接口电压必须为3.3V，至少也要兼容3.3V，电源设计中需要考虑 的主要问题是功率是否满足的问题。