基于FPGA的嵌入式图像监控系统设计

压为3.3V，内核电压降低到1.5V，这样可以降低功耗，有利于系统的稳定，但也给电源供电和其它芯片的选择带来了麻烦，系统中其它芯片的接口电压必须为3.3V，至少也要兼容3.3V，电源设计中需要考虑的主要问题是功率是否满足的问题。

SD卡接口电路

在各种存储设备中，SD卡不仅小巧，而且功耗很低，另外市面上常见SD卡的容量可达到2GB以上，因此非常适合用于对体积和功耗要求严格的嵌入式图像存储。如图4所示，SPI的两个数据线DAT0、CMD分别接上拉电阻，这是为了使本电路可以与MMC卡的接口兼容。卡的供电采用可控方式，这是为了防止SD/MMC卡进入不确定状态时，可以通过对卡重新上电使卡复位而无需拔出卡。可控电路采用P型MOS管，由FPGA的GPIO口SDPC进行控制，当SDPC输出高电平时，MOS管关断，不给卡供电；当SDPC输出低电平时，MOS管开通，VCC3V3电源给卡供电。考虑管子开通时，漏极与源极之间的压降要足够小(保证SD/MMC卡的工作电压在允许范围内)，管子允许通过的电流也要满足卡的要求，一般一张SD/MMC卡工作时的最大电流通常为45mA左右，所以选用的MOS管要允许通过100mA左右的电流。采用2SJ355的目的是当它开通时，管子上的压降比较小。

图4 SD卡电路原理图

图5 图像传感器电路原理图

卡检测电路包括两部分：卡是否完全插入到卡座中和卡是否写保护。检测信号由卡座的两个引脚以电平的方式输出。当卡插入到卡座并插入到位时，SDIN(第10脚)由于卡座内部触点连接到GND，输出低电平；当卡拔出时，该引脚由于上拉电阻R2的存在而输出高电平，该输出由FPGA的输入引脚来检测。卡是否写保护的检测与卡是否完全插入到卡座中的检测原理是一样的。

图像传感器电路

图像的输入端的采集模块是CMOS图像传感器，与CCD传感器相比，CMOS传感器不仅成本远低于CCD产品。而且CMOS传感器可轻松实现较高的集成度(比如CMOS被广泛用于拍摄手机的微型摄像头)，另外CMOS传感器拥有超低功耗的优点。本系统图像采集用于监控领域，对于图像的质量要求不是非常高，而对传感器的功耗要求必须很低，而且可以直接输出系统需要的数据格式，因此本系统的图像采集部分选用了CMOS图像传感器。

在本设计中采用美光科技公司的MT9M011型号CMOS图像传感器，MT9M011是一块SXGA(super extended graphics array，超大扩展图像阵列)制式的1/3英寸主动式数字图像传感器，其有效图像序列范围为1280×1024，结合了众多数码照相机具有的功能如开窗取景、行列跳跃、快照模式等等，可以通过一个两线的串口来实现可编程操作，并且具有功耗低的特点。片载A／D转换器将提供每像素I/O位的输出精度，帧有效和行有效信号将在特定的引脚上输出，并且还配有像素时钟同步响应的有效数据。

NiOS系统软件设计及实现

本系统的软件设计是以C语言形式在利用Altera公司的软件集成开发工具IDE所提供的硬件配置模块(HAL)的函数支持下来完成编写的。系统启动后，进行初始化工作，初始化程序主要完成初始化DMA通道及清FIFO控制接口的FIFO缓冲器等。随后系统进入主循环状态，并检测按键。当检测到DETECT时，启动FIFO控制接口开始保存数据，当检测到data_avaible有效时，启动一次DMA传输。如此循环，直到检测到SAVE_DONE为止，就实现了图像数据的采集功能。

UART传输程序设计

uart传输程序主要是将图像数据传输到电脑进行显示，用于调试。在PC端，通过串口接收工具和Matlab将图像显示出来。Nios II系统中，可以通过ANSI C文件操作的标准库函数来执行UART传输(uart 0)，即将UART作为文件来处理。执行过程为：打开外设UART并获得外设旬柄——fopen()；向外写入数据——fWrite()；关闭外设——fclose()。

SD存储卡的程序设计

SD卡程序设计包括驱动程序和文件系统两部分设计。两部分通过文件系统的接口函数相连接。驱动程序包括硬件配置模块和命令应用模块。硬件配置模块包括访问SD卡的硬件环境配置、SPI接口实现通讯的基本函数、内存变量初始化以及SPI中断的处理。命令应用模块提供访问SD卡的读数据函数和写数据函数。

结论

本文主要完成了嵌入式图像监控系统的设计，该系统克服了模拟图像监控技术具有的弊端，在普通家庭、临时性作业场所中具有很强的应用前景。这些领域一般对视频传输指标的要求不一定很高，但要求便于携带，同时功耗较小(例如临时性场合等)，具有体积孝功耗低、成本低、速度快、稳定性好等特点，可以有效地克服传统的基于计算机的监控系统的缺点。系统可做为一个智能部件“嵌入”到各种应用系统中，如将其配上网络接口接