基于NIOS II嵌入式处理器的公路视频监控图像的显示控制

摘要：随着公路视频监控的广泛应用，对于视频监控设备的性能也呈现出了越来越高的要求。半导体技术以及计算机软硬件技术的飞速发展，使得图像的显示的控制技术也表现出越来越多的方式。本文介绍了一种基于nios ii软核处理器实现对公路视频监控图像显示控制的新方法。在设计中利用FPGA的Altera的SOPC Builder定制NIOS II软核处理器及其与显示功能相关的“软” 硬件模块来协同实现显示控制的软硬件设计。利用SOPC技术，将NIOS II CPU和LCD控制器放在同一片FPGA中，解决了通常情况下必须使用LCD 控制专用芯片才能解决LCD显示的问题。

关键词：视频监控 LCD FPGA SOPC技术 软核处理器 Avalon流模式

中图分类号: TM571 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2011)12-0016-01

NIOS II嵌入式处理器是基于PLD的处理器，它实现了把可编程逻辑的固有的优势集成到嵌入处理器的开发流程中，一旦定义了处理器之后，设计者就“具备”了体系结构，可放心使用。因为PLD和嵌入处理器随即就可以开始设计软件原型。CPU周边的专用硬件逻辑可以慢慢地集成进去，在每个阶段软件都能够进行测试，解决遇到的问题。另外，软件组可以对结构方面提出一些建议，改善代码效率和/或处理器性能，这些软件/硬件权衡可以在硬件设计过程中间完成。

因此，将NIOS II嵌入式处理技术应用到公路视频监控图像的显示控制，会简化硬件设计，提高系统运行的稳定性。

本文采用DMA数据传输方式实现LCD实时图像显示控制方式。在流模式LCD控制器和SDRAM之间建立一条DMA传送通道，让硬件来完成像素信息的自动读取，而NIOS II处理器仅通过操作SDRAM中相应的区块就能实现LCD图像的更新。下面是一般显示系统的结构和Avalon流模式控制器的结构的对比。

1、视频监控显示设备的系统组成

系统是由FPGA、显示缓存RAM、程序执行RAM及显示屏LCD组成。在FPGA内部是由时序发生、地址切换、数据分离电路及嵌入式CPU四部分组成。(如图1)

2、Avalon流模式控制器的结构

控制器包括:LCD接口控制器、FIFO存储器和Avalon Streaming Port接口。下图为设计的Avalon流模式LCD控制器的硬件结构。(如图2)

3、显示系统硬件设计

在显示图像数据时，要用到两个DMA控制器，一个用做图像采集，一个用做图像显示。设计包括两部分：第一部分设计CMOS采集和液晶显示模块的时序发生模块；第二部分是编写DMA初始化和控制程序。

时序产生模块的逻辑的设计，是CMOS采集控制器和液晶控制器设计的关键。采集和显示的数据需要存储到FIFO中。

数据传输需要按照Avalon总线从模式传输的总线接口时序进行。用流模式传输比用PIO方式采集的带宽要大。图像采集系统的关键为SDRAM的存储部分。在SOPC的设计中，如果更多的主端口挂接到SDRAM控制器上，则SDRAM的仲裁电路消耗的时间就会增加，从而造成SDRAM的数据存储速度下降。当连接到SDRAM控制器的主端口过多时，就会成为图像数据传输的瓶颈。

4、Nios II 软件设计

Nios II集成开发环境(IDE)是一种开发人员广泛应用的，包含编辑、编译和调试应用软件等功能的集成开发环境。整个软件系统中，初始化DMA是关键，在注册DMA设备的函数中，NiosⅡ会调sys_dev_init函数完成DMA HAL层的初始化，同时指明中断服务程序的函数入口地址，而其他语句是完成对DMA寄存器的正确配置。

在SOPC平台上开发图像的显示控制器，能增强系统的灵活性和适应性。同时，由于一些组织提供了公开的IP核，将其应用到开发系统上，可以缩短设计开发周期，降低开发成本。

参考文献

[1]蔡伟纲.NIOS（Ⅱ）软件架构解析.西安电子科技大学出版社.

[2]李兰英.NiosⅡ嵌入式软核SOPC设计原理及应用.北京航天航空大学出版社.

[3]夏宇闻.Verilog数字系统设计教程（第2版）.北京航空航天大学出版社.

[4]孙俊喜.LCD驱动电路、驱动程序设计及典型应用.人民邮电出版社.

[5]张新强.点阵LCD驱动显控原理与实践.北京航空航天大学出版社.