（电路与系统专业论文）基于NiosⅡ嵌入式喷涂控制系统的硬件设计与实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 中文摘要 随着微电子技术和e d a 技术的不断发展以及应用领域多样化的需求，促使 集成电路向高速、高集成度、低功耗的系统集成方向发展。在单芯片上集成了嵌 入式c p u 、d s p 、存储器和其他控制功能的片上系统( s o c ) 正处于高速发展中。 a l t e r a 公司提出的片上可编程系统( s o p c ) 解决方案，使得f p g a 在嵌入式系 统设计领域的地位越来越重要。利用s o p c 解决方案可将c p u 、存储器、i ，0 接 口、低电压差分信号( l v d s ) 技术、时钟数据自动恢复( c d r ) 以及锁相环( p l l ) 等系统设计所必需的模块集成到一片可编成器件( p l d ) 上，构成一个可编程的 片上系统。 本文在研究a l t e r a 公司推出的第二代n i o si i 嵌入式处理器基础上，对工业 生产中大面积喷涂造成的浪费提出了一种解决方案，并利用a l t e m 公司的n i o si i 嵌入式技术和f p g a 开发板进行了喷涂控制系统的硬件开发设计。 在喷涂系统硬件电路设计中主要完成了n i o si ic p u 及其外围硬件的设计、 图像传感器的选择及其外围电路设计、图像采集控制模块的设计、l c d 和c p u 系统的接口设计等。在嵌入式系统协同设计方面，完成了与系统硬件设计相关的 底层软件设计。所设计的系统能够实现图像信号的正确输出、系统初始化界面以 及图像的显示。 本系统的硬件平台是a l t e m 公司的1 c 6 开发板，软件平台是a l t e r a 公司的 q u a t u s i i 和n i o si d e 。整个系统的设计充分体现了s o p c 技术的优势，能够增加 设计的灵活性，缩短设计周期、降低设计成本。 关键词：嵌入式处理器n i o s1 1s o p c 喷涂控制系统 英文摘要 a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c s & e d at e c h n o l o g ya n dt h ev a r i o u sn e e d s i na p p l i c a t i o n i tu r g e st h ed e v e l o p m e n to fi n t e g r a t ec i r c u i tt ot h es y s t e mi n t e g r a t i o n 谢ml l i 曲s p e e d ，h i 曲i n t e g r a t i o nl e v e la n dl o w - p o w e r t 1 1 es o c ( s y s t e mo nc h i p ) t h a t i n t e g r a t e dw i t he m b e d d e dc p u d s p m e m o r ya n do t h e rc o n t r o lf u n c t i o n si s d e v e l o p i n g 船h i 曲s p e e d t h ep r o j e a to fs o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) p r o v i d e db ya l t e mc o r p o r a t i o nm a k e sf p g am o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti nt h ed e s i g n o fe m b e d d e ds y s t e m 1 1 1 cc p u ，m e m o r y , i oi n t e r f a c e ，l o wp o w e rd i f f e r e n c es i g n a l ( l v d s ) ，c l o c k d a t aa u t or e c o v e r ( c d 鼬p h a s el o c k e dl o g i c ( p l l ) a n do 也e rn e c e s s a r y m o d e lf o rs y s t e md e s i g nc a nb ei n t e g r a t e di nap r o g r a m m a b l el c l g i cd e v i c e ( p l d ) b y u t i l i z i n gt h ep r o j e c to fs o p c a n dt h i sp l di sc a l l e dp r o g r a m m a b l es y s t e mo nac h i p i n t h i sp a p e r , as o l u t i o nt oa v o i dt h ew a s t eo fb i ga r e as p m y i n gi ni n d u s t r yi s p r e s e n t e db a s e do nn i o si ie m b e d d e dp r o c e s s o rp r o v i d e db ya l t e r ac o r p o r a t i o n t h e m o r ec o n t r o ls y s t e ms t u d yo nt h es o l u t i o ni sm a d eb yu t i l i z i n gn i o si ie m b e d d e d t e c h n o l o g ya n df p g ad e v e l o p m e n tb o a r d t h es t u d yi sm a i n l yr e f e r r e dt oh a r d w a r e d e s i g no f t h es y s t e m d u r i n gt h eh a r d w a r ed e s i g no f 廿1 es p r a yc o n t r 0 1s y s t e ms o m ef u n c t i o nb l o c k sa r e c o m p l e t e l yd e s i g n e ds u c ha s ：n i o si ic p ua n di t sp e r i p h e r a le q u i p m e n t ，c h o i c eo f i m a g es e n s o ra n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t ，i m a g ec o l l e c t i o nm o d e la n dt h ei n t e r f a c e b e t w e e nl c da n dc p us y r s t e m a n ds oo n t h eb o t t o m1 a y e rs o f t w a r er e l a t e dw i t h h a r d w a r eh a sb e e nd o n ed u r i n gc o d e s i g no fe m b e d d e ds y s t e m t h i sd e s i g n e ds y s t e m c a nr e a l i z et h er i g h to u t p u to fi m a g es i g n a l ，t h ed i s p l a yo fs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n i n t e r f a c ea n dt h ed i s p l a yo f i m a g e - t h ed e s i g n so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r eb a s e do n1 c 6d e v e l o pb o a r da n dq u a r t u si i & n i o si d ep r o v i d e db ya l t e mc o r p o r a t i o n t h ew h o l es y s t e md e s i g na d e q u a t e l y e m b o d i e st h ep r e d o m i n a n c ef o ri n c r e a s ed e s i g na g i l i t y , s h o r t e nd e s i g nt i m e ，r e d u c i n g d e s i g nc o s t k e yw o r d s ：e m b o d i e dp r o c e s s o r n i o si is o p c s p r a yc o n t r o ls y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫注盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：为移刁及要讪签字日期： 矽多年 月，z 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨生盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：厶乖良隽刊 导师签名 弘撕 签字日期：矿莎年，月2 日签字日期：州年1 月夕文日 第一章绪论 1 1 概述 1 1 1 片上系统( s o c ) 第一章绪论 随着vl si 工艺技术的发展，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越来越大， 为整个系统的芯片集成提供了可能。同时，多种兼容工艺技术的发展，使得差别 很大的不同种类的器件可以集成在同一个芯片上。集成电路制造技术的迅速发展 已经可以把一个完整的电子系统集成到一个芯片上，即所谓的片上系统( s y s t e m o nac h i p ，简称s o c ) t 1 】1 2 j 。 片上系统又称为集成系统 7 2 d b 供电电压：5 v d c ，5 功耗： 8 0 r o w 动态， ： 0 i c d s 。 ，枷l 、l 、 、 娥。t r d 。t w i t 、 f_ 。i 嬲、l 矛* x l d t 雠 rk 卫 昏竺兰爿 剖 图4 7 t 6 9 6 3 c 与m p u 接口的引脚时序关系图 4 3 3 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示模块的外特性 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示模块，己实现了t 6 9 6 3 c 与行列驱动器及显示缓冲 区r a m 的接口，同时也己用硬件设置了液晶屏的结构( 单x 屏) ，数据传输方 式，显示窗口长度、宽度等等。常用的液晶显示模块一般都是单屏结构因此这里 只讨论单屏结构的液晶显示模块。内藏t 6 9 6 3 c 的单屏点阵图形液晶显示模块的 方框图如下： 第四章系统硬件分析及设计 整翻蘑绕 簸据蘑缝 嗽髹娆 图4 8 内藏t 6 9 6 3 c 的单屏点阵图形液晶显示模块的方框图 液晶显示屏和m p u 接口管脚说明： 1234567891 0 1 71 81 92 0 mv 勰v 叫v o帆皿r s td b 0 研硌v o u ta 2 1 2 2 2 32 4 2 5 2 6 2 72 8 2 9 3 03 1 3 2 3 33 4 kn cc 蛐风l p 璐口n cv d d v 鹞 v ov o u tak 注：f 啡架地，v s s 地，v d d 电源，f s 字符选择0 为8 * 8 1 为8 * 6 4 3 4 内藏t 6 9 6 3 c 的液晶显示模块与m p u 的接口方法 l 、直接访闯方式 m p u 可利用数据总线与控制信号直接采用i o 设备访问形式控制t 6 9 6 3 c ， 由于本系统中没有采用m p u 控制，故略述该部分。 2 、间接控制方式 间接控制方式是m p u 通过并行接口问接实现对液晶显示模块控制。根据液 晶显示模块的需要，并行接口需要一个8 位接口和一个3 位的并行口，由图4 9 所示。8 0 3 1 的p l 口作为数据总线。p 3 口中3 位作为读写及寄存器选择信号。 由于并行接口只用于液晶显示模块，所以c e 信号接地就行了。m p u 通过并行 接口操纵液晶显示模块，要对其时序关系有一个清楚的了解，并在程序中应明确 反映出来各个信号的时序。 第四章系统硬件分析及设计 麓巷疆赣羹翻 图4 9 间接控制方式下液晶显示模块与m p u 的接口 4 4 图像传感器采集模块设计 4 4 1 图像采集设计思想 由于本系统设计是基于a l t e r ae p i c 6 q 2 4 0 c 8 开发板的基础上进行的设计， 所以考虑充分利用开发板所提供的资源，以简化设计的难度。 首先，图像传感器电源部分的设计，在设计中利用开发板提供的5 v 电源进 行供电，从而减少了图像传感器电源部分的设计，节约了资源。 其次，图像传感器的时钟，设计中也利用开发板进行提供。开发板的系统时 钟4 8 m h z ，图像传感器的时钟范围在1 0 m 3 0 m h z 之间。由于一次只采集一幅 图像，所以对时钟没有特别限制，考虑到系统的效率和稳定性，实际中采用f p g a 内部的锁相环( p l l ) 对开发板的系统时钟进行三分频得到1 6 m h z 的时钟作为 图像传感器的时钟。 通常，图像传感器可以根据需要利用s c c b 接口进行视频窗大小设定、帧速 率控制以及曝光增益控制，也可以选择上电配置模式。根据本系统的需要，系统 对图像质量要求并不是特别高，同时为了简化设计，选择了上电自动配置模式。 该配置模式下，只需要将s b b 管脚设置成高电平即可实现上电自动配置模式。 图像传感器的输出信号包括h r e f , p o l k 、y o - y 7 、v s y n c 、c h s y n c 等。由于一 次只需要采集一幅图像，所以对本设计来说，用到的信号包括h r e f , p c l k 、y o y 7 。 在本节第三段中，根据实际情况将图像传感器的时钟设置为1 6 m h z 。该时钟接 入图像传感器以后，经过图像传感器内部的时钟分频，得到8 m h z 的时钟，也即 p c l k 的时钟频率( 这是图像传感器设计本身决定的) 。 第四章系统硬件分析及设计 根据系统设计要求，需要采集一幅2 4 0 x1 2 8 像素的图像，之所以选择这个 大小，主要是因为在显示的时候，受到2 4 0 x1 2 8 液晶显示屏的限制。同时，由 于系统属于初步的试验阶段，考虑到成本各方面的因素，选择了2 4 0 x1 2 8 像素 的显示屏。 为了实现采集2 4 0 x1 2 8 像素的一幅图像，当然可以通过s c c b 接口进行图 像传感器配置，来设置图像开窗大小。但是，考虑到这样需要利用到1 2 c 总线， 将增加设计的难度，综合考虑，采用以下方法。 为了实现一行2 4 0 个像素和幅图像1 2 8 行的数据采集，利用f p g a 做一个 硬件模块，以计数的方式实现对h r e f 和p c l k 的控制。由图4 4 和图4 5 两个像素 时序图可以看到，在一行像素输出过程中，只要在h r e f 高电平的情况下计数2 4 0 个p c l k 产生新的信号n e wh r e f 作为控制信号，在n e w _ h r e f 控制下进行一行像 素数据的采集。而对于一幅图像中1 2 8 行数据的采集，可以通过计数1 2 8 个 n & wh r e f 来实现。 4 4 2 图像采集模块的设计 通过前面的分析可以知道，开发板系统时钟经分频之后得到1 6 m h z 的信号 接到了图像传感器的x c l k l 端，由于图像传感器内部有个2 分频模块，那么p c l k 的时钟频率就是8 m h z 。对于8 m h z 的像素时钟周期来说，一个像素输出的时间 就是1 8 1 ts 即0 1 2 5 i ls 。在实际中，系统c p u 对i o 端口进行一次读、写的时 间是0 1ps ( 在n i o sc p u 为s t a n d a r d 模式下，具体的内容参见4 2 2 ) ，表面上 看上去这可以满足我们的系统采集要求，但是，由于采集程序中需要通过计数判 断p c l k 中断的次数来完成采集的任务，加上程序在计数、比较时运行的时间， 程序对数据端口读一次，执行的时间就需要1 2 5 “s ，远远不能满足图像的输出 速度。所以，利用软件对f o 口直接读取数据的方式不可行。考虑到图像传感器 输出的信号是8 位的，也曾试图利用硬件做一个移位寄存器，通过移位的方法把 4 个8 位像素组成一个3 2 位的数据，供c p u 一次读取，但是4 0 1 2 5 | is = o 5 i is 1 2 5i is ，仍然不能满足图像的像素输出速度。 由于上面的方案不可行，考虑使用异步f i f o 进行缓冲，就是把一幅2 4 0 1 2 8 的图像在信号p c l k 的上升沿和n e wh r e f 高电平的作用下存储到f i f o 中，然 后用d m a 方式读出数据，这样能够节省时间提高效率。从这个角度来说，只要 f i f o 的大小适合，就能够满足要求。实际设计中考虑到f i f o 是用q u a r t u s 软 件中自带的f i f o 宏单元模块进行设计的，该模块只能设计成2 n 个单元的f i f o ， 为了满足一幅图像的数据大小恰好能够填满f i f o 空间，产生f i f o 的写满信号 ( w r i t ef u l l ) 所以采集一幅图像的时候选择采集2 5 6 x 1 2 8 像素，这样一幅图像正 第四章系统硬件分析及设计 好可以写满f i f o 产生w r i t ef u l l 信号，用以启动d m a 操作。对于多余的像素， 在软件处理的时候再去除。f i f o 是由f p g a 内部的m 4 k 的r a m 块来实现的， 但是由于内部的r a m 块只有2 0 个，设计中c p u 需要占用一部分。为了实现 3 2 k b y t e s 的f i f o ，设计中相应减少了一部分指令c a c h e 所占的r a m 单元，保留 了2 k b y t e s 的c a c h e 单元，从而满足了3 2 k b y t e s 的f i f o 空间。 综合以上的思想，设计分两个模块：一个是图像采集控制模块o v e t r l ，另一 个是存储一幅图像信号3 2 k b 的异步f i f o 。 4 4 2 1 图像传感器模块( o re t r l ) 的设计 图像采集模块o ve a r l 的设计主要是用计数方式来实现一行2 5 6 个像素和一 幅图像1 2 8 行的数量控制。在上一节的分析中，提出了用计数方式实现对图像的 采集，由于该系统中用到的液晶显示屏的大小是2 4 0 x 1 2 8 ，本应该直接采集 2 4 0 x 1 2 8 大小的图像即可，但时，由于在设计f i f o 设计中，f i f o 的大小只能设 计成2 “个单元，为了填满f i f o 能够产生写满信号( w d t ef d l ) ，所以设计时采集 的数据为2 5 6 x 1 2 8 个像素，从而能够满足f i f o 的2 n 个单元。下面是该模块的顶 层框图。 图4 1 0o v _ c t r l 模块顶层框图 该模块共有p e l k 、h r e f , s t a r t 三个输入端和一个n e wh r e f 输出端。其中，输 入端p o l k 、h r e f 对应于图像传感器的p e l k 和h r e f , s t a r t 端连接到图像采集的开始 按钮，用来启动一次图像采集，当喷涂控制系统完成一个完整的操作过程以后， 如果想启动一次新的操作，那么按下s w ( 开始) 按钮即可。 在p e l k 和h r e f 的作用下，n e wh r e f 在每一个h r e f 的高电平期间输出一个高 电平，且每一个高电平的宽度为模块中设置的一行像素个数乘以p c l k 周期。为 了便于更好、更直观韵看到仿真的结果，仿真中设置一幅图像为3 行( 3 个 n e wh r e f ) 且每一行有1 8 个像素，仿真结果如图4 1 1 和图4 1 2 所示。 第四章系统硬件分析及设计 _ ， p s1 珥2 蹲，3 坼ms 1 ；6 i ” h e f 1 ；：i ：；：t ； t ，li z ：，t ： n t j k f ：i j ；i i ：! ! ： ；! ：l p d k n n n n m n n n n 肌口n n n n n n n n n n n 呻n n n n 衄啷衄肿nn j l 啊n n n n n n n n 啊 z t s r t 1 1 ：+ ，；j ，：，：，；。；：，：，i 5 e i1112。5l1t| 攀警。辨8 y 帑臂! i 、i - 氆忑二_ 一 ：f f i “_ l f f i e f p o 1 k s t m t 图4 1 1o v _ c t r l 模块的仿真结果图 图4 1 2o r _ e r r l 模块的仿真结果图 从上面的仿真结果，可以看出，在图4 1 l 中，主要展示了一行像素的输出 情况。在n e wh r c f 高电平期间，包含1 8 个的p c l k 时钟周期，图像像素就是在 p c l k 的上升沿输出。在图4 1 2 中，主要展示了一幅图像输出3 行的情况，即每 一幅图像有3 个n e wh r c f 当系统工作的时候，按下一次s w 键( 开始键) 以后， 即给s t a r t 端一个高电平，在硬件模块的控制下，输出3 个n e wh r c f 信号。 以上是为了能够直观的看到结果，将一幅图像设置成1 8 x 3 个像素。在实际 工作中，模块中设定的像素值为2 5 6 x 1 2 8 。 实际工作中，该模块的v h d l 代码如下： a r c h i t e c t u r eb e h a v eo f o v _ c t r li s s i g n a lt 伽叩：s a t _ l o g i c ； s i g n a l s i g _ _ h r e f ：s t dl o g i c ； s i g n a ls i g _ n c w _ h r c f：s t d _ l o g i c ； b e g i n a 0 ：p r o c e s s s 协哟 v a r i a b l eh r e fo a u n t ：i n t c g e a ； b e g i n i fs t a r f - 1 t h e n h r e f c o u n t ：= 田： s i gh r e f = 0 ； e l s i f ( h r e f e v e n ta n dh r e f = - 1 9 t h e n h r e f _ e o u n t ：= h r e f _ c o u n t + 1 ； i f h r e fc o t m t = 1 2 9t h e n 3 4 第四章系统硬件分析及设计 e l s e s i g _ h r c f 掣o ； c a d i f ； e n d i f ； e n dp r o c e s sa o ； a l ：p r o c e s s ( p c l k , h r e f ) v a r i a b l ep c l k _ c a t m t ：i n t e g e c b e g i n i f h r e f = 0 t h e n s i g _ n e w _ h r e f - - o ； p c l k _ c o u n t ：= o ； e l s i f p c l k e v e n ta n dp c l k = 0 t h e n p e l k _ e o u n t ：= p c l k _ e o u n t + 1 ； i f p c l k _ e o t m t = 2 5 6t h e n s i g _ n e w _ h r e f = l ； e l s e s i g _ n e w _ h r e f = o ； e n d i f ； c a d i f ； e n d p r o c e s sa l ； t e m p = s i gh r e f a n ds i g _ n e w _ h r e f ； n e w _ h r c f = t e m p ； e n db e h a v e ； 4 4 2 2 像素存储单元异步f i f o 的设计 异步f i f o 的实现通常是利用双口r a m 和读写地址产生模块来实现的。 f i f o 的接口信号包括异步的写时钟( w r _ c l k ) 和读时钟( r d _ c l k ) 、与写时钟同 步的写有效( w r e n ) 和写数据( w rd a t a ) 、与读时钟同步的读有效( r d e n ) 和读 数据( r dd a t a ) 。为了实现正确的读写和避免f i f o 的上溢或下溢，通常还应该 给出与读时钟和写时钟同步的f i f o 的空标志( e m p t y ) 和满标志( f u l l ) 以禁止 读写操作。图4 1 3 是异步f i f o 设计的接口信号和内部模块图。 3 5 第四章系统硬件分析及设计 写地址产生 一 f i d l 韭 双口叫 读地址产生 v r _ c l k 。 r rc l k r d - a d 血_ t r e n e r u p t y i = - v z _ a d d r r d _ c l k4 - - w z _ a d d l -吐。d d r r 屯a d d r _ r da d d rr d e n卜_ l r z _ d a t a r d _ d a t a 图4 1 3 异步f i f o 的接口信号和内部模块图 在异步电路中，由于时钟之间周期和相位完全独立，因而数据的丢失概率不 为零。为了更好更准确的实现数据采集的任务，对于本设计来说，最方便最节省 设计时间的方法就是利用q i l a 巾l si i 软件中提供的l p m 函数进行设计。在q u 碰u s 中b d f 文件的空白处双击，则会出现s y m b o l 对话框，如图4 1 4 所示。 图4 1 4q u a r t u s 软件中s y m b o l 对话框 在对话框的l i b r a r i e s 中选择c ：a l t e r a q u a r t u s 4 2 l i b r a r i e s ， 在 m e g a f u n c t i o n s s t o m g e 目录下选中l p m _ f i f o 模块，系统将会打开m e g a w i z a r d p l u g - i n m a n a g e r - f i f o ，按照我们的要求进行异步f i f o 的设定。a l t c r a 提供的可 参数化宏功能模块和l p m 函数均为a l t e r a 器件结构做了优化，可以提高稳定 性和节省设计时间。像素存储单元异步f i f o 的v h d l 描述文件如下所列。 e n t i t y l p m _ f i f o oi s p o r t ( d a t a：i ns t dl o g i c _ v e c t o r ( 7d o w n t o o ) ； w r r e q ：i ns t d _ ；_logic 第四章系统硬件分析及设计 r d r c q ：i n s t d _ l o g i c ； r d c l k：i n s t dl o g i c ； w r c l k：i n s t di o g i c ； q ：o u ts t d _ l o g i cv e c t o r ( 7d o w n t oo ) ； r d e m p t y ：o u ts t dl o o c ； w r f u l l：o u ts ml o o i c ) e n d l p m _ f i f 0 0 ； a r c h i t e c t u r es y no f l p mf i f 0 0i s s i g n a ls u b _ w i r e 0 ：s t d _ l o g i c ； s i g n a ls u b w i r e l ：s t d _ l o g i c ； s i g n a ls u b _ w i r e 2 ：s t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 7d o w n t oo ) ； c o m p o n e n td e f t f o g e n e r i c ( 1 p m _ w i d t h ：n a t u r a l ； l p m _ n u m w o r d s ：n a t u r a l ； l p mw i d t h u：n a t u r a l ； i n t e n d e d _ d e v i c e _ f a m i l y：s t r i n g ； c l o c k sa ms y n c h r o n i z e d ：s t r i n g ； i p mt y p e：s t r i n g ； i p m _ s h o w a h e a d ：s t r i n g ； o v e r f l o w _ c h e c k i n g：s t r i n g ； t m d e r f l o w _ c h e c k i n g：s t r i n g ； u s e _ e a b ：s t r i n g ； a d dr a m _ o u t p u t _ r e g i s t e r ：s t r i n g ) ； p o r t ( w r c l k：1 ns t d _ l o g i c ； r d e a n p t y ：o u ts t d _ l o g i c ； r d r c q ：i ns t d _ l o g i c ； w r f u l l ：o u ts t d _ l o o i c ； r d c l k：i ns t dl o g i c ； 3 7 第四章系统硬件分析及设计 q ：o u ts t dl o g i cv e c t o r ( 7d o w n t oo ) ； w r r e q ：i ns t d _ l o g i c ； ， d a t a ：i ns t d _ l o g i c _ v e c t o r ( 7d o w n t o o ) ) ； e n dc o m p o n 踟； b e g n r d e m p t y ”c y c l o n e ” c l o c k s _ a r e _ s y n c h r o n i z e d = ”t r u e ”， i p m _ t y p e = ”d c f i f o ” i p m _ s h o w a h e a d - ”o f f ” o v e r f l o w _ c h e c k i n g = ”o n ” u n d e r f l o wc h e c k i n g = “o n ” u s e _ e a b - ”o n ” a d d _ r a m _ o u t p u t _ r e g i s t e r 毒”o f f ” ) p o r t m a p ( w r c l k - - w r c l l 岫- r d r e q , r & l k - r d c l k , w r r c q = w n e q , d a m = d a t a , r d e m p t y - s u bw i r e o ， w r f u l l _ s u l f a t e l ， q - s u bw i r e 2 第四章系统硬件分析及设计 ) ； e n d s y n ； 为了更好的模拟图像数据采集的情况，我们假设采集8 个数据，仿真结果如 图4 1 5 所示： 图4 1 5 异步f i f 0 数据存储仿真图 从以上的仿真结果我们可以看出，在w r r e q 的高电平期间，在w r c l k 时钟的 上升沿，i n p u t 数据端口的数据送到f i f o 中。当数据满以后，比如在这里是送入 f i f o 中8 个数据，w e f u l l 产生一个高电平，高电平保持的时间长短和r d r e q 有关。 在岫的高电平期间，在r d c l k 的上升沿，则能够把f i f o 中存储的数据送到q 输出端。 在实际工作中，f i f o 的i n p u t 端口接图像传感器的数据输出端，w r c l k 接图 像传感器的p c l k 端，w r r e q 接图像采集模块的n e wh r e f 端接，r a r e q 作为读使能 信号由系统总线提供高电平信号。f i f o 的输出端有q 、w r f u i l 和r d e m p t y ，q 端 和在s o p cb u i l d e r 中和系统数据总线连接，w r f u u 信号接入系统的中断信号端， r d e m p t y 悬空不用。工作的时候，当1 1 e wh r e f 为高电平的时候，图像数据输出， 此时，数据将被存入f i f o 中，当采集到一幅图像3 2 k 个像素数据的时候，f i f o 将被填满，w f f u i j 端输出一个高电平，给系统一个中断，启动d m a 操作，系统 将把f i f o 中的3 2 k 个像素值写入到r a m 中。 4 5 图像传感器硬件设计电路 在图像传感器的硬件电路设计中，充分考虑了冗余设计。由于整个是在摸索 中进行设计，所以对于有些信号，设计中没有直接固定其工作状态，而是利用跳 线的方式进行设计。比如，s c c b 接口的s b b 信号，就预留了跳线。在上面的 叙述中，由于使用上电配置模式，考虑到以后系统的改进，可能还需要s c c b 进 行图像参数配置，所以，不能直接把s b b 信号通过一个1 0 0o 电阻接到5 v 高电 平，而是留出了跳线接口接到f p g a ，这样能够保证系统修改的灵活性。图4 1 6 是我们的硬件设计电路图： 第四章系统硬件分析及设计 图4 1 60 v 6 1 2 0 和开发板的硬件连接图 在图4 1 6 中，j p l 插座对应于开发板的j 3 ，j 3 的各个脚和f p g a 相联接； j p 2 、j p 4 是两个跳线插座；j p 3 是5 v 的供电插座，它和开发板j p 6 相对应连接。 在我们默认上电配置模式工作的时候，j p 2 中第4 脚s b b 通过1 0 0q 电阻接到高 电平，在原理图上没有表示出来。实际工作中需要单独连接。 4 6c p u 系统及其外围硬件电路设计 采用n i o si i 处理器开发设计与采用传统的处理器开发设计不同，开发者必 须先配置处理器结构、设置接口等内容。也就是说，开发者必须根据实际需求构 建一个处理器，而传统的处理器具有固定接口、片内r a m 和外部设备。本系统 设计所需软、硬件环境包括： 安装w m2 0 0 0 ，) 四操作系统的计算机 n i o s 嵌入式处理器 q u a r t o s 软件4 0 带s p i 或更高版本( 我们使用的是q u a r t o s 4 2 ) 1 c 6 开发板 a l t c r ab y t e b l a s t e r 下载线 4 6 1 创建一个o u a r t u si i 工程 打开q u a r t o si i4 2 软件，新建个p r o j e c t ，命名为n i o s s r n a l l 。新建一个b d f 的文档，添加前面设计中生成的图像采集控制模块o v a r l ( 存储一行像素数据的 第四章系统硬件分析及设计 异步f i f o 将被做成u s e ri n t e r f a c e 放入c p u 系统中) ，以及图像传感器的时钟提 供模块。 4 6 2 创建n i o s 系统模块 1 、启动s o p cb l l i l d e r 。 在q u a r t u si i 软件的t o o l s 菜单下打开s o p cb u i l d e rt 具，之后会出现c r e a t n e w s y s t e m 设置向导，如图4 1 7 所示，在设置向导的s y s t e m n a m e 中输入系统 名n i o s s ，并选择l 硬件描述语言。点击o k 按钮，显示出a l t e r as o p cb u i l d e r n i o s s 窗口和系统元件表。在s o p cb u i l d e r 中的t a r g e td e v i c ef a m i l y 对话框中 选取c y c l o n e 器件，在s y s t e m c l o c k f r e q u e n c y 中填入4 8 ( 设定系统时钟频率) 。 图4 1 7 设置向导图 2 、添加c p u 及外围器件。 在本系统设计中，c p u 及其外围设备主要包括以下几部分：n i o si i3 2 位 c p u 、u a r t 、定时器、按键p i o 、l c dp i o 、a v a l o nt r i s t a t e b r i d g e 、 s l s _ u p 3 _ _ s r a m 、d m a 、中断源p i o 。由于本系统的设计属于探索性设计故在 硬件系统设计中使用了最小系统，即没有添加s r d r a m 和f l a s h ，所设计的 系统通过系统级仿真。下面详细介绍设计过程。 n ) 添加n i o s i l 3 2 位c p u 。 在a v a l o n 模块下选择n i o si ip r o c e s s e r - a l t e r ac o r p o r a t i o n ，点击a d d ，会出 现n i o s l l 的设置向导( 名为a l t e r a n i o s i i - c p uo ) 。 在n i o si ic o r e 栏中选择n i o s 玎选项，在i n s t r u c t i o nc a c h es i z e 中选择 4 k b y t e s ，如图4 1 8 所示。 4 l 第四章系统硬件分析及设计 图4 1 8c p u 设置的类型选项卡 点击j a t gd e b u gm o d u l e 栏，选择l e v e l 2 选项，如图4 1 9 所示。 图4 1 9c p u 设置的调试模式选项卡 点击f i n i s h 按钮返回s o p cb u i l d e r 窗口。然后将c p u0 命名为c p u 。 下面将按照上述添加c p u 的过程添加其他设备。 ( 2 ) 添加u a r t ( r s 一2 3 2s e r i a lp o r t ) 。u a r t 是在p c 主机和s o p cb u i l d e r 系统之间进行串行字符流通信。一选择c o m m u n i c a t i o n u a r t 并点击a d d ，会出 现u a r t 的设置向导，c o 蜥m i o n 和s i m u l a t i o n 选项卡中各项内容按默认设置 即可。 ( 3 ) 添加定时器。定时器对于h a l 系统库中的器件驱动非常有用。在元件池 中选择o t h e t 项下的i n t c a v a lt i m e r 并点击a d d ，会出现a v a l o nt i m e r - t i m e r0 设 置向导。在设置向导的i n i t i a lp e r i o d 选项中选择l m s e e ，在p r e s e tc o n f i g u r a t i o n s 选项中选择f u l l f e a t u r e d ( v i 0 - c o m p a t i b l e ) 。 第四章系统硬件分斩及设计 ( 4 ) 添加外部r a m 接口。根据开发板的类型，在元件池中选择相应地s r a m 。 本开发板中选择s l s j u p 3 - s r a m 。在a t t d b u t c s 选项中，选择存储器大小为 1 2 8 k b 。 ( 5 ) 添加外