Intevac是商用和軍用市場光學產(chǎn)品的前沿開發(fā)商。本文介紹該公司NightVista嵌入式電子系統(tǒng)的開發(fā)，該產(chǎn)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(shù)字信號處理器、幾個ASSP和外部存儲器件。系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)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(fā)時間。

Cyclone系列FPGA功能框圖 " border="0" height="226" hspace="0" src="http://files.chinaaet.com/images/20100816/7a824d35-e596-47d7-93e3-cd2bdb683eea.jpg" style="WIDTH: 450px; HEIGHT: 226px" width="450" />

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(xiàn)方法NightVista電子系統(tǒng)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(diào)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(shù)遠程更新，攝像機至主機PC視頻數(shù)據(jù)傳送

      Intevac開發(fā)NightVista電子產(chǎn)品的最初方法是采用數(shù)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(huán)(PLL)、實現(xiàn)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(wěn)壓器和不同的PCB板層)，四個獨立的時鐘系統(tǒng)，以及各自的振蕩器和電源去耦電路?？傮w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(fā)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(shè)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(shù)字信號處理器的設(shè)計，轉(zhuǎn)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(jīng)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?qū)⒁粋€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(xiàn)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(tǒng)相關(guān)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(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核  
      多個供應商的器件集成技術(shù)和業(yè)務能力   
      提供成熟的硬件和軟件開發(fā)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(xiàn)Altera Nios處理器的解決方案。FPGA的功能如圖1所示。

      設(shè)計轉(zhuǎn)換

      決定使用Altera的解決方案后，Intevac必須確定現(xiàn)有的DSP軟件在多大程度上能夠?qū)氲絅ios處理器中。公司已經(jīng)投入了18個月的人工付出進行前面的數(shù)字信號處理器軟件開發(fā)，團隊現(xiàn)在面臨的問題是將圖像數(shù)據(jù)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(xié)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(fā)直觀明了，通過使用Nios開發(fā)板，Intevac在幾個小時之內(nèi)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(nèi)完成，在這段時期內(nèi)，Intevac繼續(xù)采用Nios處理器開發(fā)板編寫、調(diào)試軟件代碼。Intevac最初計劃采用數(shù)字信號處理

器的實時操作系統(tǒng)(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(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(shè)計稍做改動便能夠達到目標時序要求。同一FPGA環(huán)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(xiàn)最佳控制和視頻處理任務。

      FPGA方案實現(xiàn)了定制化，提升了性能

      進一步的深入研究后，Intevac開始開發(fā)定制功能和外設(shè)，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(fā)一個處理器來提高性能，一般在一個小時內(nèi)就可以做到這一點。硬件小組設(shè)計了一個定制視頻編碼器、用于緩沖視頻數(shù)據(jù)的FIFO模塊，以及專用DMA控制器為編碼器提供穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)流，避免了使用外部編碼器和FIFO緩沖。此外，構(gòu)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)能夠協(xié)調(diào)工作。加入的另一功能是統(tǒng)計生成器，用于分析視頻數(shù)據(jù)的特性，以便進行圖像增強和亮度處理。圖像統(tǒng)計生成器需要的數(shù)學運算如果在軟件中實現(xiàn)，那么速度很慢。Intevac使用了FPGA中的邏輯資源來實現(xiàn)該功能，設(shè)置完成后，將結(jié)果傳送給處理器。

      電路板制好后，在幾個小時內(nèi)便完成了開發(fā)板軟件代碼傳送、代碼設(shè)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(fā)的同時，進一步調(diào)試、優(yōu)化了設(shè)計。雖然對處理器和FPGA設(shè)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(shè)置，Intevac還能夠高效的生產(chǎn)多種產(chǎn)品。

      采用Altera無鉛產(chǎn)品輕松達到RoHS

      Altera在業(yè)界提供的無鉛產(chǎn)品范圍最廣，1200多個產(chǎn)品具有無鉛封裝。Altera作為環(huán)境無污染可編程邏輯解決方案的優(yōu)秀供應商，2002年以來已經(jīng)發(fā)售了2千5百萬片無鉛產(chǎn)品。Altera的無鉛器件符合EU Directive在有害物質(zhì)使用限制(“RoHS Directive”)No.2002/95中所規(guī)定的最大濃度值，包括鉛(Pb)、汞、鎘、六價鉻、多溴化聯(lián)苯(PBB)以及多溴化聯(lián)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(zhuǎn)換。

      結(jié)語

      設(shè)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(chǎn)成本，提高了NightVista的質(zhì)量和可靠性。在最初的產(chǎn)品規(guī)范基礎(chǔ)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(xiàn)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(shè)計開發(fā)流程，為今后的產(chǎn)品開發(fā)節(jié)省了大量的時間和資源。