1、摘 要I本科毕业论文（20 届）基 于 DSP+FPGA 平 台 的 图 像 处 理 硬 件 平 台 实现 设 计所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要II摘 要本设计论文介绍了本研究课题的意义以及国内外图像处理技术的应用和发展，通过分析 DSP、FPGA 芯片以及 DSP、FPGA 系统的特点，提出了基于DSP+FPGA 的实时图像处理系统。该系统尽可能发挥了 DSP 和 FPGA 两者的优势，能更好地提高图像处理系统实时性，快速性及尽可能地降低成本。设计论文根据图像处理系统的设计目的要求、应用需求确定了器件的型号。本论文重点介绍了主要的器件，接
2、着从系统架构、逻辑结构、硬件各功能模块组成等方面介绍了 DSP+FPGA 图像处理系统硬件设计。论文还介绍了基于 FPGA 的逻辑设计，包括了图像输入模块的工作原理、设计思路。同时介绍 Verilog 语言及相关软件和系统调试的相关理论。该系统主要优点有：实时性、快速性。硬件设计的执行速度，在高速的 DSP 和 FPGA中实现信号处理算法程序，保证了系统实时性的实现；性价比高。关键词： 图 像 处 理 ； 硬 件 设 计 ； DSP； FPGA； 逻 辑 设 计AbstractIIIAbstractThis thesis introduces the significance of the p
3、roject, as well as the using and development of image processing technology in the world, by analyzing the characteristics of the DSP hardware design; the DSP; FPGA; logic design目 录IV目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .III第一章 绪论 . 1 1.1 图像处理的运用概述 . 1 1.2 图像处理现状分析 . 2 1.3 论文工作 . 3 1.4 论文安排 .4 第二章 图像处理系统硬件介绍与选择
4、 . 5 2.1 图像处理的简介 . 5 2.2 DSP 的概况 . 5 2.2.1 DSP 的概念 . 5 2.2.2 DSP 的发展 . 6 23 DSP 芯片的选型 . 7 2.3.1 6416 的硬件结构 . 8 2.3.2 6416 的内核 . 10 2.3.3 6416 的存储器及 Cache 组织结构 . 11 2.3.4 EDMA 工作原理与应用 .11 2.3.5 EMIF 总线 . 12 2.4 FPGA 概述 .14 2.4.1 FPGA 构成 . 14 2.4 .2 FPGA 基本原理与设计方法 . 15 2.5 FPGA 型号的选择 . 18 2.6 Verilog
5、语言 . 19 2.7 本章小结 . 20 第三章 硬件设计方案 . 213.1 系统总体方案 . 213.2 输入接口电路的设计 . 223.3 DSP 外围电路设计 . 24 3.3.1 时钟电路设计 . 243.3.2 复位电路设计 . 243.3.3 电源设计电路 . 263.3.4 DSP 的滤波电路 . 273.3.5 DSP6416 与 FLASH 存储器接口的设计 . 293.4 FPGA 的扩展问题 . 323.5 三片 DSP 之间的连接电路 . 33目 录V3.6 本章小结 . 35 第四章 软件设计及调试原理 .364.1 FPGA 预处理的软件设计 .364.1.1
6、目标物体图像检测 .364.1.2 直方图统计 .364.2 DSP 的设计与开发过程 .404.3 FPGA 开发工具 ISE 简介 . 414.4 系统调试 . 414.5 本章小结 . 43结 论 .44参考文献 .45致 谢 . 46绪 论- 1 -第一章 绪论1.1 图像处理的运用概述图像处理技术在信息处理技术方面地位相当地重要，其不仅关系到到医疗设备、工业检测、家用电器等领域，还涉及到消费电子类、军事等诸多领域。获取的图像中蕴含着丰富的信息，用不同的技术方法处理这些图像信息，便使得图像技术在不同的技术领域发挥不同的作用。图像处理技术在医学上的应也十分泛，对生物医学的显微图像处理分析
7、，如染色体分析、红白细胞和细菌观察与分析、以及超声波图像的分析等。遥 感 图 像 处 理 技 术 则 是 图 像 处 理 技 术 在 军 事 方 面 极 其 重 要 的 应 用 ， 此 技术 应 用 的 一 个 非 常 重 要 的 方 面 是 目 标 的 定 位 ， 传 统 的 对 计 划 外 的 目 标 定 位 主要 依 靠 人 工 现 地 判 定 , 不 仅 精 度 不 高 , 而 且 作 业 时 间 一 般 来 说 也 较 长 。 近年 来 科 技 的 不 断 发 展 , 遥 感 卫 星 被 更 多 地 运 用 到 军 事 领 域 中 , 最 终 目 标 定位 产 生 了 更 好 的 发
8、 展 即 其 定 位 精 度 也 有 了 大 幅 度 的 提 高 。 但 是 当 前 这 些 高 技术 定 位 的 装 备 只 仅 提 供 保 障 战 略 、 定 位 战 役 目 标 , 但 是 一 般 战 斗 里 出 现 的目 标 不 能 达 到 实 时 精 确 保 障 。 所 以 , 利 用 这 个 非 高 空 无 人 侦 察 机 的 遥 感 图像 信 息 对 战 斗 中 出 现 的 目 标 定 位 , 同 样 很 有 研 究 意 义 的 。图 像 处 理 技 术 在 公 安 侦 查 方 面 有 两 个 重 点 应 用 且 成 果 显 著 ， 即 指 纹 的 查询 、 识 别 以 及 人
9、像 组 合 、 查 询 和 识 别 。 人 的 指 纹 具 有 唯 一 性 ， 可 用 来 做 身 份的 鉴 别 。 把 现 场 收 集 到 的 指 纹 录 入 计 算 机 ， 提 取 指 纹 的 特 征 后 对 比 指 纹 库 里的 指 纹 ， 便 可 以 对 破 案 找 到 突 破 口 。 现 在 计 算 机 技 术 的 发 展 可 以 说 是 日 新 月异 ， 近 年 来 图 像 处 理 的 发 展 也 相 当 迅 速 ， 不 断 有 新 的 概 念 和 新 的 技 术 涌 现 ，但 是 对 系 统 成 本 和 体 积 要 求 较 高 的 场 合 ， 基 于 普 通 计 算 机 的 图
10、像 识 别 系 统 是不 能 满 足 需 求 的 ， 因 此 基 于 DSP(Digital Signal Processor)数 字 信 号 处 理 器和 FPGA(Field Programmable Gate Array)现 场 可 编 程 门 阵 列 的 新 一 代 图 像识 别 系 统 就 具 有 很 高 的 研 究 价 值 和 使 用 价 值 。绪 论- 2 -1.2 图像处理现状分析现行阶段图像处理系统的实现方法一般有下面几种：1应用软件在通用计算机上实现。出于不同的目的，用户自己可以编写软件，也可以使用现成的软件包。这种方法要占用 CPU 几乎全部的处理能力，缺点是速度慢，一般
11、只能用于算法验证、信号的离线处理或仿真研究，而不适合于实时系统。2用专用的加速卡在通用计算机系统中实现。加速卡可以是通用的加速处理机，还可以是由用户使用 DSP 开发的加速卡。如果加速卡是用户开发的，随着 DSP 芯片性能的提高和价格的下降，这种方法比较常见。但当要处理的数据比较多时，计算机和加速卡间数据的交换速度就成为主要的障碍，所以通用计算机往往只充当管理者的角色，不直接参加图像实时的处理。且这种方式不适于嵌入式应用，专业性较强，应用面较窄。3一般单片机的实现。此方法能用于不太复杂数字信号的处理，如数字信号的控制等。因为单片机一般使用冯诺依曼总线结构，数据的运算速度不快，在运算量较大的实时
12、控制的系统中时很难有作为的。4用一般可编程的 DSP 实现。与一般的单片机比较，DSP 具有更适合数字信号进行处理优点如下：一般采用改进哈佛总线的结构，内部含有硬件累加器、乘法器，运用流水线的结构，拥有很好并行的特性，并具有专门的适于图像信号进行处理的指令的系统等。这类方法在实时 DSP 行业占主导的地位。但此方法难以运用在于必须要用能充分考虑 DSP 内部并行性的汇编语言进行编制DSP 程序。5运用专用的 DSP 实现。在某些较特殊场合，要求信号的处理速度很高，用通用 DSP 也难达到要求。但某些专用芯片把常用的 FFT、卷积相关等信号处理算法在芯片内用硬件进行实现，软件编程就不需要了。成本
13、高且灵活性差是此方案缺点，专用性强，主要用于要求图像信号处理速度极高的特殊场合。即采用的是专用 DSP 芯片，故其应用范围受限，系统不够灵活，无法进行算法的升级与更新。绪 论- 3 -6用 DSP+FPGA 实现。随着现场可编程门阵列器件(FPGA)和数字信号处理器(DSP)的发展，采用 DSP+FPGA 结构的信号处理系统慢慢地展现出其优点，越来越引起人们的重视。ASIC(Application Specific Integrated Circuit)专用集成电路的发展为 FPGA 的发展提供了基础，通用性强、结构灵活、适于模块化设计是采用 DSP+FPGA 结构最大的特点，也提高了算法效率
14、；同时具有开发周期短、系统易于扩展和维护等特点，适用于高速实时图像信号处理。由于采用 FPGA 和 DSP 取代了计算机，使设计图像的识别系统拥有成本低、体积小的特点，同时能较好地解决了系统成本、体积在现实运用带来的不足，某些成果已取得了很好的经济效益和较广应用前景。前文已提到针对一般计算机用软件进行图像处理很可能要占用 CPU 的全部开销，并且速度慢的问题，指出 DSP 的可编程性和较强的处理能力，以便用于较快实现各种数字处理算法，图像处理，尤其在实时图像处理系统中得到了广泛应用和发展，并且重点介绍了 DSP 芯片及其在实时图像处理系统中的开发、应用及发展方向。对要输入的图像必须进行实时相关
15、处理，然而现有软件速度不理想，不能对其实时性问题，构思出并设计了基于 DSP+FPGA 的实时数字图像处理系统。结果表明：FPGA 和高速数字信号处理算法结合，就满足系统对图像实时处理要求。DSP+FPGA 系统最大优点就是结构灵活，通用性较强，合适模块化的设计；开发周期短；系统易于扩展和维护，所以较适合应用于实时信号处理系统。在本系统实时图像处理中，预处理算法处理数据的量较大，处理速度的要求也高，然而运算的结构相对简单，比价适于运用 FPGA 硬件的实现，同时兼顾灵活性和速度。本系统高层处理的算法特点是其算法控制结构较复杂，处理数据量不大，能采用运算速度高、寻址灵活、通信强大的 DSP 来实
16、现。从上面的分析可以看出，此系统运用 DSP+FPGA 硬件方案，不仅可以充分发挥 DSP 和FPGA 的长处，又能充分运用 DSP 和 FPGA 资源。本设计采用了优质硬件结构，使系统配置更灵活，易扩展、升级等。绪 论- 4 -1.3 论文工作本文提出了基 DSP 和 FPGA 的硬件实现方案。开发过程中，硬件平台设计被划分为下面三个部分：即硬件系统的设计、硬件系统主机驱动程序的设计、DSP 软件设计。本设计主要负责硬件设计的相关原理，为系统实现提供硬件的支持。主要任务如下：1.完成硬件模块设计和整机电路的方案，构造了满足应用要求的整体系统；2.重点了解核心器件的原理及特性;3.简要分析各部
17、分的原理，完成各原理图绘制；4.用 Verilog 语言编写可编程器件程序，实行相关的功能;5.简要了解有关软件的设计及系统的调试。1. 4 论文安排本设计着重点研究了相关器件处理系统的硬件平台实现方案。本论文章节如下安排：第一章：论文绪论部分，包括课题研究意义、任务、国内外研究现状及相关技术发展动态。第二章：分析图像处理平台的需求，确定主要器件的选型，并介绍了核心器件的突出特点和功能。第三章：图像处理硬件平台的设计方案，和硬件系统中关键模块的实现。主要包括 DSP 的接口设计、 FPGA 的电路设计及一些重要的外围电路的设计。并给出了部分重要的电路原理图。第四章：简要介绍有关软件的设计及系统
18、的调试。 结束语：总结了论文的工作以及对本课题以后的展望。第二章 图像处理系统硬件介绍与选择- 5 -第二章 图像处理系统硬件介绍与选择设计图像处理硬件平台，要想其功能完善，在设计刚开始的时候，根据该设计功能及待处理图像数据的特点进行主要器件的选型，了解器件的功能和结构，则是整个设计过程中的第一步。接下来将重点介绍 DSP 芯片和 FPGA 相关芯片。2.1 图像处理的简介长期以来，人们在自然界感受到最主要的信息是视觉信息，人类感知的信息或人们心目中的有形想象统称为图像。其包括可视图像、不可视图像和抽象图像，或者分为静态和动态图像。与文字、声音信息不同，图像信息量非常巨大，它以成为当今通信、计
19、算机、信号处理等系统一种重要的处理对象。图像处理的目的是使图像更清晰或具有某种特殊效果，使人或机器更容易于理解和识别；达到对图像质量的主观评价的高标准。图像处理的内容和方法一般包括：图像的采集与获取；图像预处理；图像校正与缩放；图像分析；图像增强；图像变换；图像压缩、解压缩和编码、解码；图像分形、分割、检测和重建；图像平移和旋转；图像匹配和编辑与制作；图像识别和跟踪；图像传输和存储及显示等。这些又涉及到多种理论、变换算法、处理方法和操作过程，及在众多科技领域中的应用。2.2 DSP的概况2.2.1 DSP的概念数字信号处理简称 DSP（Digital Signal Processing）是一门跟很多学科相关而又被广泛应用于许多领域的新兴学科。DSP 有两种含义：Digital Signal Processor（数字信号处理器）和 Digital Signal Processing（数字信号处理） 。我们常说的 DSP 指的是数字信号处理器。数字信号处理器是一种适合完成数字信号处理运算的处理器。上世纪 60 年代以来，计算机和信息技术的快飞速发展，数字信号处理技术则应运而生并取得迅速发展。在过去的短短的二十多年时间里，数字信号处理在通信等行业中得到很广泛应用，TI 公司的 C5000 系列 DSP
