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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)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。 工程師團隊考慮了多種因素，包括： 多種FPGA系列的性能和特性 提供知識產權(IP)內核 多個供應商的器件集成技術和業務能力 提供成熟的硬件和軟件開發工具 供應商支持資源的可靠性 分析了以上因素后，公司決定購買在Altera Cyclone FPGA中實現Altera Nios處理器的解決方案。FPGA的功能如圖1所示。 設計轉換 決定使用Altera的解決方案后，Intevac必須確定現有的DSP軟件在多大程度上能夠導入到Nios處理器中。公司已經投入了18個月的人工付出進行前面的數字信號處理器軟件開發，團隊現在面臨的問題是將圖像數據通過處理器傳送至輸出，并沒有進行視頻處理。FPGA攝像機中的Nios處理器具有不同的特性，只能通過RS-232串行通信協議與主機PC和視頻傳感器進行通信。幸運的是，Nios處理器的軟件開發直觀明了，通過使用Nios開發板，Intevac在幾個小時之內便建立了處理器和主機PC之間的通信。 新的FPGA電路板在一個月內完成，在這段時期內，Intevac繼續采用Nios處理器開發板編寫、調試軟件代碼。Intevac最初計劃采用數字信號處理器的實時操作系統(RTOS)來管理復雜的視頻處理算法時序。由于Nios處理器并不包括現成的RTOS，軟件小組并不能確定是否能夠達到所有的時序要求。與硬件小組討論后，軟件小組很快發現Nios處理器的配置功能可以很好的控制信號時序，一般只需要對FPGA設計稍做改動便能夠達到目標時序要求。同一FPGA環境下硬件和固件處理具有高度集成特性，能夠迅速簡單的實現最佳控制和視頻處理任務。 FPGA方案實現了定制化，提升了性能 進一步的深入研究后，Intevac開始開發定制功能和外設，以貼近自己的需求。一旦在軟件中碰到瓶頸，硬件小組便開發一個處理器來提高性能，一般在一個小時內就可以做到這一點。硬件小組設計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數據的FIFO模塊，以及專用DMA控制器為編碼器提供穩定的視頻數據流，避免了使用外部編碼器和FIFO緩沖。此外，構建了一個定制SDRAM控制器，使所有的視頻、屬性、Nios處理器命令讀取和數據存儲都可以使用同一存儲器，從而提高了性能。某些功能需要自己的時鐘，因此，采用了FPGA的板上PLL，從一個主時鐘中產生三個不同的時鐘：第一個用于視頻編碼器，第二個用于SDRAM時序，第三個用于外部象素傳感器。 通過集成提高了性能 在實現了以前所用外部器件的功能以后，Intevac還增加了最初DSP處理器無法實現的功能。加入了視頻測試模式生成器來仿真攝像機的工作，使軟件小組能夠完成各種視頻處理算法，使系統能夠協調工作。加入的另一功能是統計生成器，用于分析視頻數據的特性，以便進行圖像增強和亮度處理。圖像統計生成器需要的數學運算如果在軟件中實現，那么速度很慢。Intevac使用了FPGA中的邏輯資源來實現該功能，設置完成后，將結果傳送給處理器。 電路板制好后，在幾個小時內便完成了開發板軟件代碼傳送、代碼設置，并在新板上運行。后面的幾個月中，Intevac在進行硬件和軟件開發的同時，進一步調試、優化了設計。雖然對處理器和FPGA設計的其他部分進行了多次修改，但是，并沒有影響電路板布板。最后，使用Cyclone器件和Nios軟核處理器，將五塊電路板縮減為一塊。這種集成方式減輕了攝像機重量，所需支持電壓由四個減少到兩個，功耗降低了近80％。使用相同的PCB設置，Intevac還能夠高效的生產多種產品。 采用Altera無鉛產品輕松達到RoHS Altera在業界提供的無鉛產品范圍最廣，1200多個產品具有無鉛封裝。Altera作為環境無污染可編程邏輯解決方案的優秀供應商，2002年以來已經發售了2千5百萬片無鉛產品。Altera的無鉛器件符合EU Directive在有害物質使用限制(“RoHS Directive”)No.2002/95中所規定的最大濃度值，包括鉛(Pb)、汞、鎘、六價鉻、多溴化聯苯(PBB)以及多溴化聯二苯(PBDE)等。采用Altera的PLD集成非兼容的ASSP功能，可以輕松完成您的RoHS轉換。 結語 設計簡化后，Intevac達到了自己的性能目標，極大的降低了元件和生產成本，提高了NightVista的質量和可靠性。在最初的產品規范基礎上，該解決方案還增加了更多的功能。Intevac在FPGA中留出了邏輯資源，這樣，現場應用時，能夠進一步對攝像機進行更新。這一解決方案幫助Intevac研究并完善了速度更快、效率更高的設計開發流程，為今后的產品開發節省了大量的時間和資源。 |
