（电路与系统专业论文）视频图像压缩技术在智能安全监控系统中的研究与实现.pdf

摘要 随着科学研究日益广泛，一些重要场所的安全i 口- j 题受到了人们越来越多的重视，这些重要 场所的设施和设备造价都比较高，如果发生火灾，小偷入室盗窃以及天气缘故造成的设备损害， 都会造成一定的经济损失。比较理想的解决方案就是在安装视频监控系统，对场所内的情况进行 实时反馈，达到实时安防监控。把远程的监视、遥控、防盗、消防结合起来，这对于拥有重要设 备及设施的事业和企业而言，是非常必要的。在监控过程当中图片的传输以及存储是一个重要的 环节，数字图像的数据量往往是非常大的，而且在实际使用的图像不是单独的存在，是连续、多 频谱的图像，这样的数字图像在图像的存储，处理以及传输上带来了很大的困难，网络及通信技 术的发展使这个问题更加突出，从而促使数据压缩技术成为数学图像处理的关键技术之一。论文 介绍了图像压缩的算法，实现方法，以及n i o si i 软核，s o p c 系统的相关理论，运用s o p c 技术构 建智能安全监控系统，该系统由计算机终端和基于a l t e r a 公司的d e 2 开发平台的监控器组成，以 c y c l o n e i i2 c 3 5 f p g a 器件作为硬件基础，以q u a r t u s i 9 。0 和n o i si ii d e 为主要的软件开发环境， 运用了a l t e r a 公司的n i o s i i 嵌入式软核处理器，配备烟雾、温度、湿度传感器，结合相关的图 像处理算法，运用s o p c 技术完成整个监控系统的搭建。其中计算机终端负责实时接收监控器发 来的信息，进行信息处理并通过视频实时显示场所内部情况以及各参数的当前值，将信息存入数 据库，同时判断是否有异常情况，如有异常情况，则启动报警装置。整个系统实现了实时图像采 集、图像处理、压缩，运动目标监测跟踪，在图像压缩方面结合霍夫曼算法，在不影响图像质量 的前提条件下，减少了图像处理时间，提高了压缩比，是一种有效可行的实施办法。 关键词：s o p cn i o si i图像压缩视频监控 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g l yw i d er a n g eo fs c i e n t i f i cr e s e a r c h s o m ei m p o r t a n tp l a c e so ft h es e c u r i t y p r o b l e ma t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，s o m ei m p o r t a n tp l a c e so ff a c i l i t i e sa n de q u i p m e n tc o s t sa l e h i 曲，i ft h e r ei saf i r e ，b u r g l a ra n dw e a t h e rd a m a g eo fe q u i p m e n t ，i tw i l lc a u s ec e r t a i np e c u n i a r yl o s s t h ei d e a lo fs o l u t i o ni st oi n s t a l lv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m ，o nt h ep r e m i s e so fr e a l t i m ef e e d b a c k ，t o a c h i e v er e a l - t i m es e c u r i t ym o n i t o r i n g t h er e m o t em o n i t o r i n g ，r e m o t ec o n t r o l ，a n t i t h e f t ，b et o g e t h e r , t h i st oe a c hu n i v e r s i t yu n i t sh a v ei m p o r t a n te q u i r ，m e n ta n de n t e r p r i s e ，i ti sv e r yn e c e s s a r y i nt h e p i c t u r et r a n s m i s s i o na n ds t o r a g eo fd i g i t a li m a g e s ，t h ea m o u n to fd a t ai so f t e nv e r yl a r g e ，i nt h ea c t u a l u s eo ft h ei m a g ei sn o tt ob ef o u n d ，b u tac o n t i n u o u s ，m u l t is p e c t r a li m a g e ，t h ed i g i t a li m a g ei ni m a g e s t o r a g e ，p r o c e s s i n g a n dt r a n s m i s s i o n b r o u g h tg r e a td i f f i c u l t i e s ，i n t e r n e t a n dc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tt h i si s s u ei sm o r eo u t s t a n d i n g ，w h i c hp r o m p t e dd a t ac o m p r e s s i o nt e c h n o l o g y h a sb e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fi m a g ep r o c e s s i n gm a t h e m a t i c a l i m a g ec o m p r e s s i o ni n a c t u a la p p l i c a t i o ni sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ew i d e l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ei m a g ec o m p r e s s i o n a l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d , a n dt h en i o si ic o r e ，s o p cs y s t e mr e l a t e dt ot h et h e o r y , a n d t h ee s t a b l i s h m e n to fs o p cs y s t e mf o ri m a g ec o m p r e s s i o n ，r e a l i z et h es e c u r i t ym o n i t o r i n g t h ed e s i g ni sb a s e do ns o p ct e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n ts a f e t ym o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e m c o n s i s t so fac o m p u t e rt e r m i n a la n dm o n i t o rt ot h ed e 2d e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do na l t e r a c o r p o r a t i o n ，w h i c ht h ec o m p u t e rt e r m i n a li sr e s p o n s i b l ef o rr e c e i v i n gr e a l t i m em o n i t o ri n f o r m a t i o n ， i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，v i av i d e oi nr e a lt i m e d i s p l a yt h ec u r r e n tv a l u eo fi n t e r n a ls i t u a t i o na sw e l la s t h ep a r a m e t e r s ，t h ei n f o r m a t i o ns t o r e di nt h ed a t a b a s e ，a n dd e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sa b n o r m a l s i t u a t i o n ，i fu n u s b a lc i r c u m s t a n c e s ，t h ea l a r md e v i c ei s t os t a r t t h es y s t e md e s i g ni sb a s e do nt h e c y c l o n ei i2 c 3 5 f p g ad e v i c e sa sah a r d w a r eb a s i s ，t oq u a r t u s l l 9 0a n dn o i si ii d es o f t w a r e d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h eu s eo f a l t e r a sn i o si ie m b e d d e ds o f tc o r ep r o c e s s o r , c o m b i n e dw i t h t h er e l a t e di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s ，u s i n gs o p ct e c h n o l o g yc o m p l e t i o no ft h em o n i t o r i n g s y s t e ms e tu p 。p a r to fs y s t e ms o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nc a nb ed i v i d e di n t o ：i m a g ea c q u i s i t i o nm o d u l e ， i m a g ec o d i n gs p a c ec o n v e r s i o nm o d u l e ，v g ad i s p l a ym o d u l e ，a l li m a g es t o r a g em o d u l e ，i m a g e p r e - p r o c e s s i n gm o d u l e ，m o v i n gt a r g e td e t e c t i o na n dt r a c k i n gm o d u l e ，t h ei m a g ec o m p r e s s i o nm o d u l e ， t h ed a t at r a n s m i s s i o nm o d u l e ，s e n s o rm o d u l e , a l a r mm o d u l ea n dt h ep cm o n i t o rt e r m i n a lm o d u l e s y s t e mt h r o u g hh i g h s p e e dc a m e r a ( c c d ) i m a g ea c q u i s i t i o n ，w i t ht h es m o k e ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y s e n s o r , t oa c h i e v er e a l - t i m ei m a g ea c q u i s i t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o m p r e s s i o n ，m o n i t o r i n gt r a c k i n go f m o v i n gt a r g e t s ，a n dt h et r a n s m i s s i o no fi m a g ed a t aa n dt h ed i g i t a le n v i r o n m e n tp a r a m e t e r st h r o u g h a w i r e l e s sn e t w o r kt or e m o t ec o m p u t e rm o n i t o r i n gt e r m i n a l s ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n go ft h ei m p o r t a n t p l a c e s k e yw o r d s ：s o p cn i o si ii m a g ec o m p r e s s i o n v i d e os u r v e i l l a n c e 1 1 宁夏大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 图像处理技术概述 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 是指利用计算机将采集到的图像信号转换成数字信 号，并对数字信号做出处理的过程【。现阶段，广泛应用的图像处理技术主要是研究完成对数 字图像信号的处理，比如对图像的采集、编码、存储、传输， 图像的生成合成、图像的显示和 图像的输出以及图像的变换、图像增强、图像恢复等等。此外，数字图像技术还包括完成设计 所需要的功能而进行的系统硬件和系统软件设计等一些方面的技术。 数字图像处理的基本内容和特点【2 】： ( 1 ) 图像的输入 图像处理首先要处理的就是将采集到的模拟信号转换成数字信号后再进行相关的处理。但 是由于图像所包含的大量的阵列，因此如果是在空间域里进行图像的处理，工作量很大并且算 法也比较复杂。对于图像的处理常常是采用各种变换的方法，比如傅里叶变换，离散余弦变换 ( d c t ) 等变换技术，将空间域的信号转换成变换域的信号再进行图像处理。可以获得有效且 比较理想的处理结果。 ( 2 ) 图像编码技术 图像编码技术是减少图像的数据量，以便减少图像的传输时间，处理时间以及存储空间容 量。图像压缩是通过删减图像中的冗余度来达到压缩目的的，经过压缩的图片的比特数比原来 图像的比特数明显降低。图像压缩有两种方式，第一种叫无损压缩，这种压缩方法是先将图像 的信息进行归类总结，然后用较少的信息量来表示较多的信息量，是通过总体信息量的减少来 达到压缩目的的。另一种压缩方式是有损压缩，图像信息中往往存在着一些不重要的信息，在 人眼观察时也很难察觉的信息，将这些信息在不影响图像质量的前提下删除，减少总的数据量。 ( 3 ) 图像的增强和复原 图像的增强和复原技术是为了提高图像的质量，例如，为了使图像清晰可见，可以强化图 像的高频分量，为了减少图像中的噪音的影响可以增强图像的低频分量。总之，使用图像增强 和复原技术处理可以方便对图像效果的识别和观察。 ( 4 ) 图像分割 图像分割的目的是将图像陆 i f ：部分提取出来，图像分割是进行图像识别分析的基础，包 括对图像的边缘、区域提取。图像分割技术是数字图像处理的关键技术之一。 s o p c 结合了p l d 、f p g a 特点，具有以下的基本特征： 包含一个或多个嵌入式处理器内核 具有片内高速的r a m 小容量资源 o i pc o r e 资源丰富 丰富的片上可编程逻辑资源 包含f p g a 的编程和处理器调试接口 使用功耗低 片上可编程逻辑器件的构成有多种组成方案p j ： ( 1 ) s o p c 系统中嵌入i p 硬核。 这种方式是将处理器直接嵌入到f p g a 芯片中，这样的组合不仅发挥了f p g a 的硬件的灵 活性，而且还可以和处理器的软件结合在一起使用，体现了高效性。 ( 2 ) s o p c 系统嵌入碑软核。 这种方式是将软核处理器直接植入在芯片中。例如本论文中所使用的n i o si i 软核，用户 可以根据自己的需求构建不同的外围设备，结合n i o si ii d e 软件的使用，可以对整个系统的功 能以及硬件结构进行调整，具有很强的灵活性。 ( 3 ) s o p c 系统中使用ha i d c o p y 技术。 h a r d c o p y 技术是将s o p c 技术向a s i c 转化的关键技术，a s i c 是特定用户对特定电路进 行的设计，在电子器件的使用上成本一般很昂贵，但将f p g a 器件上的s o p c 技术过度到a s i c 上，就可以避免这样的困难，这对于a s i c 的市场开发提供了可能。 1 2 3n i o si i3 2 位软核处理器 n i o si i3 2 位r s i c 嵌入式处理器是a l t e r a 公司于2 0 0 4 年推出的嘲。n i o si i 系列软核处理器 是第二代f p g a 嵌入式处理器，3 2 位r s i c 具有超过2 0 0 d m i p s 的性能，但成本确实十分廉价 的。a l t e r a 公司的的f p g a 器件，例如s t r a t i x 、s t r a t i xg x 、s t r a t i xi i 和c y c l o n e 系列都是全 面支持n i o s 。 自a l t e r a 于2 0 0 0 年推出第一代1 6 位n i o s 处理器以来，n i o s 处理器已经被越来越广泛的 应用，n i o s 成为使用率最高的的软核处理器。现在的第二代3 2 位的n i o s 处理器拥有全新的 构架，更丰富的资源以及更高的性能，最大处理性能提高了3 倍，而c p u 内核的面积最大可以 缩小1 2 ，可以在多种系统设置组合中进行选择，满足不同的功能的需要，在资源占用上也比 第一代产品少，幅度可高达5 0 。 n i o s1 13 2 位r s i c 嵌入式处理器有三类产品，第一类产品是n i o sl y f , 快速型。这类产品 拥有最高的性能，但是占用资源是最多的。第二类产品是n i o si v s ，标准型，这类产品拥有平 衡的性能和尺寸，比第一代的n i o sc p u 更快，占用的资源更少。第三类产品是n i o si i e ，经济 型，这类产品占用资源最少，但是性能相比较其他两类产品来说较低。这三类产品虽然在性能 和占用资源上有所不同，但是都具有3 2 位处理器的基本单元，都自。3 2 位指令集，3 2 位数据宽 度，3 2 个通用寄存器，3 2 个外部中断源以及2 g b y t e 寻址空间。最多可达到2 5 6 个用户定义的 c p u 指令，支持硬件断点、数据触发以及片内片外的调试。 3 一 宁夏人学硕士学位论文 第一章绪论 1 3f p g a 器件 1 3 1f p g a 的发展现状 f p g a ( f i e l d - - p r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) ，即现场可编程门阵列。它是g a l ( g e n e r c a r r a y l o g i c ，通用阵列逻辑) 、p a l ( p r o g r a m m a b l el o g i c a r r a y ，可编程逻辑阵列) 、c p l d ( c o m p l e x p r o g r m m a b l el o g i cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 等可编程逻辑器件的基础上更进一步的产物。 f p g a 采用c o m s s d r a m 工艺制作，是新型高密度的p l d ，由很多独立的编程逻辑模块组成。 第一片现场可编程逻辑器件( f p g a ) 是由x i l i n x 公司在1 9 8 5 年推出的，到现如今，国际 上生产f p g a 的著名厂商a l t e r a 公司、x i l i n x 公司陆续推出了数百万门的单片f p g a 芯片，将 现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。f p g a 技术正在高速发展，在这几十年的飞速 发展中，传统工艺的数字元件逐步被取代。在a s i c 市场，高端f p g a 也在不断涌入，其编译 效率的高效化以及低功耗，高可靠性，开发周期短等独特的优点使得a s i c 市场承受了巨大的 市场压力，随着f p g a 发展速度的加快，成本不断的降低，芯片规模将越来越大。 1 3 2f p g a 的结构 7。 f p g a 由六个基本部分构成【6 】：可编程输入输出单元( y o 单元) ，这个单元是外部电路与 芯片连接的纽带，可以完成对不同电路以及不同电器特性输入输入的需求；可编程逻辑单元是 整个编程逻辑的中心，它可以进行不同的连接和配置，完成特定的逻辑功能；丰富的布线资源， 连线上的传输速度受线的长短以及连线的材质，做工以及工艺影响，这样的布线资源可以连通 f p g a 上的所有器件。底层嵌入功能是指将一些实用率较高的可编程逻辑器件嵌入到f p g a 中， 满足不同的用户的需求，因为嵌入的是通用率较高的器件，因此将已有的程序移植到其他器件 上也可以降低许多困难；内嵌专用硬核是将一些使用率较低的硬核，通过知识产权完成一些复 杂的设计要求，提高整体系统的性能以及工作的效率，缩短研发周期。 f p g a 的结构式是通过查找表( l u t ) l o o ku pt a b l e ) 实现的( 7 】。每个l u t 结构上都有一个 r a m ，现在可编程逻辑器件f p g a 上最多可以使用4 位输入的l 疋j 1 ，其中每一个u j t 都可以 看作是4 位1 6 x1 的r a m 。当用户通过原理图或i - d l 语言描述了一个逻辑电路以后，f p g a 自带的软件会计算出电路所能出现的所有可能性结果，并把结果写入到r a m ，这样，当每输 入一个信号系统就会进行一次逻辑运算就相当于输入一个地址进行查表，查到地址中相应的内 容，将内容输出即可。 1 3 3f p g a 工作原理 f p g a 采用了逻辑单元阵列l c a ( l o g i cc e l la r r a y ) 这样一个概念，内部包括可配置逻辑 模块c l b ( c o n f i g u r a b l el o g i cb l o c k ) 、输出输入模块i o b ( i n p u to u t p u tb l o c k ) 和内部连线 ( i n t e r c o n n e c t ) 三个部分。可编程逻辑器件与传统逻辑电路和门阵列( 如p a l ，g a l 及c p l d 器件) 有着不同的结构，f p g a 使州1 6 t r a m 的查找表米实现符个组合之间的逻辑，将一个d 触发器连接到查找表上，用d 触发器来驱动其他的接口，这样就组成了时序逻辑接口单元，而 且其自由组合的性质也可以实现组合逻辑功能【8 | of p g a 是同过内部的静态存储单元加载数据 来实现f p g a 逻辑的。存数器里的数据决定了各个逻辑单元和模块之间的连接方式，并最终决 d 宁夏大学硕士学位论文第一章绪论 定了f p g a 所能实现的功能。f p g a 的可组合性和可剪裁性使得f p g a 可以进行多次的编写以 及修改。 1 3 4f p g a 的功能以及其特点 目前，f p g a 的使用越来越广泛，其性能也在不断的优化，功能变得更加强大，还在向着 低功耗，大容量，低成本，高密度发展。这样的f p g a 器件给用户实现了很多功能的需要，而 且带给用户很多的灵感。f p g a 拥有很大的潜能，其很多未被研发出来的功能更值得更多的专 业人员去发现，这无疑是一项新的课题与挑战。 如今，f p g a 芯片已经具备了如下功能，f p g a 支持d a 和a d ，并且差分接口的速度可 高达5 0 0 m h z 。片内的锁相环设计，在高速时钟的的运用上可以减少信号的突变，同时实现了 时钟的复用；i o 的功能也进一步简化，f p g a 提供了丰富的布线资源；为用户提供了多种不同 规模的r a m ；对d s p 用户来说，f p g a 提供了专业的乘法电路。f p g a 的基本特点主要有【l o j ： ( 1 ) 采用f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投入生产，就能得到合用的芯片； ( 2 ) f p g a 可做其它全定制或半定制a s i c 电路的中试样片： ( 3 ) f p g a 内部包含有丰富的i o 引脚和各类触发器： ( 4 ) f p g a 具有可剪裁性，用户可以自由进行配置且开发周期短、成本低、投资风险小； ( 5 ) f p g a 采用的是高速c m o s 工艺，功耗低，可以兼容c m o s 和r i t l 电平。 宁夏大学硕士学位论文 第二章系统开发环境 2 1d e 2 开发板 第二章系统开发环境 a l t e r a 公司的d e 2 开发板是为了迎合市场需求推出的学习工具，它不仅拥有各种丰富的资 源，而且还具有多种多媒体特性，这是因为d e 2 开发板是兼具数字逻辑，计算机技术以及f p g a 设计的综合工具。开发板的硬件应用先进的技术，并且含有多种外接接口，为设计开发者提供 了灵活的设计空间以及自由发挥的空间。 d e 2 开发板是a l t e r a 公司的c y c l o n e l i 系列【l ，其核心芯片为c y c l o n e i i2 c 3 5f p g a ，板上 的重要部件都与核定芯片相连，设计者可以控制板上的各种操作。d e 2 包含18 个拨动开关以 及及4 个去抖按键，发光二极管包括l8 个红色发光二级管和9 个绿色发光二极管，8 个七段数 码管，1 6 2 字符液晶。5 1 2 - k b y t es r a m 、8 - m b y t es d r a m 、4 m b y t ef l a s h ，这些存储器是d e 2 开发面板上的存储器，也可以用于n i o si i 处理器。3 3 2 1 6 个逻辑单元，6 7 2 个封装引脚。3 5 个 1 8 1 8 的硬件乘法器，4 个同步逻辑器，4 7 5 个f o 口。5 0 - m h z 和2 7 - m h z 时钟频率振荡器， d e 2 还提供了u s b 2 0 接口( 包括主、从u s b ) ，1 0 1 0 0 m 自适应以太网，红外( i r d a ) 接口， 以及s d 卡接口，r s 2 3 2 收发器和9 针连接器。1 0 位三倍高速数据采集和控制系统的v g a 。 a l t e r a e p c s l 6 下载控制芯片用于配置u s bb l a s t e r 电路和a p i 用户，设计者可以将开发板 和电脑连接就可以进行调试，支持j t a g 和a s 配置模式 1 2 】。用u s b 数据线将电脑与d e 2 开 发板连接起来可以对系统进行调试，安全可靠并且操作简单易行。 v g a 视频输出采用的芯片是a d v 7 1 2 3 ，最高速度可高达2 4 0 m h z ，1 0 位三倍高速视频数 模转换器，支持刷新分辨率为1 6 0 0 1 2 0 0 的图片且刷新率可以达到1 0 0 h z 。输出电路自身带有 1 5 脚的高密度d 形接口【1 3 1 。可与c y c l o n ei if p g a 联合使用实现高性能t v 编码器。 以太网控制器集成带有一个包含m a c 和p h y 的总处理器接口，支持1 0 0 b a s e - t 和 1 0 b a s e - t ，采用m d i x 全双工操作。 2 2 开发环境 q t t a r t u s i i 是世界上最大的可编程逻辑器件供应商之一a l t e r a 公司推出的f p g a c p l d 集成 开发软件。该软件是m a x + p l u si i 的升级版本，比原来的软件在功能上更加强大，且拥有友好 的界面，操作简单便捷，软件内置了各种硬件参数，可以根据设计者的具体要求进行选择和仿 真，准确度以及可裁剪性都有了提高。通过q u a r t u s i i 软件可以完成的任务有设计的输入，h d l 综合，仿真实验以及硬件测试等等。它提供了一种自由的设计环境，设计者可以灵活的进行设 计，裁剪，以及自由组合【1 4 】。 q u a r t u si i 用r 完成n i o si i 系统的分析综合，硬件优化，适配，配置文件编程下载以及硬 件系统测试等，是一种多功能设计环境，支持各种特定设计的要求，是s o p c 开发的重要设计 工具，支持第三方软件，可以直接在软件中调用。内置v h d l 、v e r i l o g 逻辑综合器，与v h d l 、 、，瓢1 0 9 设计流程通用【1 5 】。对于硬件的仿真，q u a r t u si i 与第三方仿真： ：具m i d e l s i m 结合可达到 一6 宁夏大学硕士学位论文第二章系统开发环境 对仿真结果很好的呈现。m o d e l s i m 是一种快速又方便的h d l 编译仿真工具。当用m o d e l s i m 软 件进行仿真时q u a r t u si i 软件可以直接通过h d l 代码进行仿真。此外，对于d s p 的开发实验来 说，q u a r t u s 可以喝m a t l a b 以及d s pb u i l d e r 两个软件结合在一起进行d s p 的研发。 q u a r t u si i 的编译器包括各种功能强大的模块【16 1 。其编译器包含的功能模块主要有分析综 合器( a n a l y s i s & s y n t h e s i s ) 、适配器( f i t t e r ) 、装配器( a s s e m b l e r ) 、时序分析器( t i m i n g a n a l y z e r ) 、硬件设计辅助( d e s i g n a s s i s t a n t ) 模块、e d a 网络图表生成器( e d a n e t l i s t w r i t e r ) 和 编译器数据库的接口( c o m p l i e rd a t a b a s ei n t e r f a c e ) 等。各个模块可以在c o m p l i e rt o o l 窗口中运 行该模块来启动编辑器模块，同时可以打开该模块的设置文件以及报告文1 牛【1 7 】。q u a r t u s 软件 实现了从设计输入到下载的所有功能，基本设计流程框图如下图所示： 图2 - 1q u a r t u s 设计流程 q u a r t u si i 软件有很多主要的工具，在设计输入阶段提供了多种输入编辑器，支持硬件描述 语言，图形描述输入。在综合阶段，除了q u a r t u s 自带的综合器以外还支持多种第三方软件所 带的综合器，这些综合器可以很好的用于设计开发流程中。q u a r t u s 的时序分析工具提供了波形 仿真图，提供时序报告，用户可以通过仿真结果对设计进行修改以及进一步的改善，实现设计 逻辑功能和时序仿真，编辑器不仅有汇编下载功能还支持编程文件格式转换。 2 3n i o si i i d e 开发环境 2 3 1n i o si i 嵌入式处理器 2 0 0 0 年a l t e r a 发布了第一代n i o s 处理器【1 8 1 。这是第一款可以用于可编程逻辑器件的可配 置的软核处理器。它拥有r i s c 技术，1 6 位指令集，1 6 3 2 位数据通道，在一个时钟周斯可完成 一条指令处理，具有基于j t a g 的o c i 芯核。2 0 0 3 年，a l t e r a 发布了n i o s 3 0 处理器，拥有1 6 宁夏大学硕士学位论文 第二章系统开发环境 鼍詈! 詈! 鼍! 皇皇ii ii i i i i i i i i i i ii ii i i i i i ii i i 皇 位和3 2 位两个版本，能在低成本的c y c l o n e 和高性能的s t r a t r i x 芯片上实现，相对于第一代n i o s 处理器n i o s 3 0 处理器有更多的可配置寄存器，极大的灵活性以及可扩展性，拥有功能强大的 开发工具。s o p cb u i l d e r 。2 0 0 4 年6 月, a l t e r a 继在全球推出c y c l o n ei i 和s t r a t r i xi i 器件系列后， 又推出了支持这些新款芯片的n i o si i 嵌入式处理器。新一代的处理器处理性能提高了3 倍，c p u 内核部分的面积最大可以缩小为原来的一半，3 2 位处理器要占用1 5 0 0 个l e ，而n i o si i 最少只 占用6 0 0 个l e ，拥有3 2 b i t 指令集和数据宽度，3 2 个通用寄存器，2 gb y t e 寻址空间，基于边 界扫描测试的调试逻辑，支持硬件断点，数据出发以及片外和片内的调试跟踪，最多可达2 5 6 个用户定义的c p u 指令【1 9 1 。n i o si i 提供三种不同的内核，三种内核的优势分别为：n i o si i y f 具 有高的性能优化；n i o s i i s 平衡性能和尺寸；n i o si i e 具有最小逻辑占用的优化。n i o si i 采用内 部a v l o n 总线，链接主从构件，并进行主从构件问的通信第二代处理器的有利优势以及其丰富 的资源被广泛用于嵌入式系统的设计中。 2 3 2 n i o s i i ) e n i o si ii d e 是n i o s i i 系列嵌入式处理器的基本软件开发工具，它提供了一个平台，适用于 所有的n i o s 处理器系统，是基于开放式的，可扩展e c l i p s ei d ep r o j e c t 工程以及包括程序的编 辑、编译、调试和下载运行。n i o si ii d e 中提供的工具包括编辑器、分析器、c e 卜+ 编辑器、 链接器和汇编器。其强大的软件调试器g d b 是基于g n u 调试器的，该调试器可以提供很多基 本的调试功能，以及一些高级的调试功能，比如数据触发、指令跟踪等等。n i o si ii d e 调试器 是同过j t a g 与硬件相连接的。随着a l t e r a 公司的又一个畅销软件n i o si ii d e 的推出，q u a m s ，s o p c 体统的开发又进入了一个新的领域。 宁夏大学硕士学位论文 第三章系统硬件改计 第三章系统硬件设计 3 1 系统硬件连接结构 在该系统中我们主要采用的平为a l t e r ad e 2 开发板，具有丰富的音视频接口( c v b s 、 v g a 、a u d i oi n o u t 及m i ci n ) ，使用的传感器均为数字式传感器，电压匹配后，直接将传 感器连接至其v o 口即可。系统总体连接图如下： 3 2c c d 图像传感器 图3 - 1 系统硬件连接结构图 c c d 图像传感器是一种电荷耦合器件。属于电荷耦合器件中大规模的集成电路光电器 件的种类。可以进行光电转换，具有信息的储存大，传输快，处理能力强具有高的集成度 , h j j , 巧的尺寸，低电压，低功耗等特点。c c d 是由一系列排得很紧密m o s ( 金属氧化物 一、f 导体1 电容器组成。它足以电荷作为信号，迎过 岜鼬的存储和转移，米实现f 占。：! 。的存储 和转移，这是它的突出特点。因此，c c d 工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、 传输和检测。c c d 中的感光二极管是的感光元件中的核心器件，感光二极管的：l 作原理是 通过光线的照射产生电流，电流的强度是和光线的强度成正比，光线越强，产生的输出电 9 宁夏大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 流越大。当接受较强的光信号时，对应的输出信号也就更加的清晰。c c d 图像传感器作为 一种新型光电转换器现已被广泛应用于摄像、图像采集、扫描仪以及工业测量等领域。本 课题采用的是c c d 摄像头，输出为n t s c 制全电视信号，分辨率为6 4 0 * 4 8 0 。下图为图像 采集模块。 图3 - 2 图像采集模块 本系统采用步进电机和电机驱动电路来完成控制摄像头的方向控制，系统输出p w m 脉冲。步进电机每一秒转动一次，每次转动角度为3 5 度，采集背景，以便完成图像模板， 当电机处于监控状态时会时刻监测是否有运动目标入侵，如果目标入侵时，先由处理器进 行识别，标记给出位置变化，驱动电机进行转动，予以跟踪。电机驱动采用l 2 9 8 n 作为驱 动芯片，驱动器和电机之间加光耦隔离，设计采用p w m 方式控制驱动步进电机。电机控 制模块如下图所示： m o t o r c o n t r o l - - - - ： c l k j 7 i i i i a i 莉l i t l ，l i l t 、a ，h m r m l m o t o r 0 1 日 9 n o t o r t 1 m o t o r 1 1 cp )。 j d 沁巾。七= ：二：；：叫叫，p - 矗 。 i n 盎1 6 。 3 3 传感器 3 3 1 温度传感器 图3 - 3 电机控制模块 数字式温度传感器d s l 8 2 0 是由美国d a l l a s 半导体公司生产的，在其内部使用了在 板( o n - b o a r d ) 专利技术【2 1 】。d s l 8 2 0 数字温度计屏幕有九位的数字显示，可以精确的 宁夏大学硕士学位论文第三章系统硬件设计 显示温度的大小。温度传感器的温度信息通过指示器件通过d s l 8 2 0 送入中央处理器，或 者是由d s 8 2 0 从中央处理器中送出。在中央处理器与d s l 8 2 0 之间只需要接两根线即可， 一根连连接中央处理器和温度传感器，另一根线接地。温度传感器对温度的读取所需要的 点压无需外部电源供给，由本身的数据线提供就可以了。 d s l 8 2 0 数字温度计有如下特性【2 2 】：采取电线接口，只需要连接一根线就可以着n # t - 部 的元件传输信号，不需要外部设备供电，温度测量范围可以达到零下5 5 摄氏度到1 2 5 摄氏 度。温度传感器敏感度高，响应迅速，在一秒的时间内就可以将检测到的信号变为数字信 号，数字信号由九位数字值显示。用户可以根据自己环境所需要的温度范围进行设定，当 达到设定的极限值时自动触发报警设备。无需人员看护，使用方便，检测准确度高，对环 境的适应性好。可以广泛的应用于各个实验场所。d s l 8 2 0 有三个主要数字部件：6 ；4 位激 光r o m ，温度传感器以及非易失性温度报警触发器。温度传感器的工作原理是当信号线 处于高电平的状态时将产出的能量存储在电容里，在信号线处于低电平的状态时工作，工 作所需的电能来自高电平状态时所存储的能量。等到下一个高电平来临时继续存储能量， 如此循环1 2 3 1 。d s l 8 2 0 也可用外部5 v 电源供电。 表3 - 1d s l 8 2 0 的引脚说明 引脚 符号说明 g n d 地 2 d q 单线运用的数据输入输出引脚 3 v d d 可选的v d d 引脚 3 3 2 湿度传感器 湿度传感器主要用于检测环境空气中的湿度情况，通过数字的方式反馈。采用h s l l 0 1 湿度传感器，该湿度传感器有如下特点【2 4 】：该传感器在标准环境中不需要校正，可直接用， 当达到湿度饱和状态时h s l l 0 1 可以直接进入脱水转台；根据不同的环境要求可以进行任 意焊接；此款湿度传感器具有很好的稳定性，在恶劣的条件下也可以正常工作，具有很高 的可靠性，显示数据准确，反应时间迅速；拥有专利的固态聚合物结构。下图3 - 4 为湿敏 电容工作的温、湿度范围。图3 5 为湿度一电容响应曲线。 温度， 图3 - 4 湿敏电容工作的温、湿度范围 由上图可以看出，在5 0 摄氏度到1 0 0 摄氏度之间湿度传感器处于正常工作范围，且相 i髓潮靛器 宁夏火学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 l i r a = i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ，_ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ - _ _ - _ i i _ i _ - _ _ _ i 一 对湿度范围在0 到1 0 0 r h 之间。当超过1 0 0 摄氏度时湿度传感器处于非正常工作范围。 蠢 管 相对湿度 图3 - 5 湿度一电容响应曲线 根据上图可以看出，当电容量从1 6 2 p f 上升到1 0 0 p f ，传感器的误差将小于等于 2 r h ，反应时间不大于5 s ，温度系数为0 0 4 p f c 。由此可以看出h s l l 0 1 湿度传感器是 一个精度较高的传感器。 3 3 3 烟雾传感器 本课题采用的烟雾传感器是s s 1 6 8 1 ”】，该烟雾传感器为每英尺3 2 的微弱灰烟即有 反应，警戒时输出电路开路，报警时输出短路，阻抗小于5 0 欧。静电电流小于1