基于ARM、FPGA、多DSP的嵌入式实时图像处理系统

论文摘要

现代信息技术的迅猛发展，使得图像处理方面的研究与应用，尤其是实时图像处理引起了更广泛的关注。近年来，随着嵌入式和DSP技术的不断发展，数字信号处理领域的理论研究成果被逐渐应用到实际系统中，从而推动了新理论的产生和应用，对图像处理等领域的技术发展起到了十分重要的作用。然而，在实时图像处理、雷达信号处理、软件无线电、电子对抗、3G数值仿真计算等领域中，要求嵌入式系统具有数据处理能力更强、数据吞吐量高以及多任务实时处理功能。因此，单DSP无法满足实时性和高速运算的要求，往往需要多个DSP进行协同处理。因此，本论文设计的ARM、FPGA、多DSP系统有着非常重要的理论价值和应用价值。本文主要研究内容如下：第一部分，首先介绍实时图像处理领域的最新发展，对比目前国内外现有成果，得出了以ARM和DSP分别作为实时图像处理系统核心的优势和劣势。结合本课题实时性、高速运算、数据吞吐量大、可重构性等特点，设计一个基于ARM、FPGA、多DSP的通用实时图像处理系统，并通过增加或裁剪可以广泛应用于高速图像处理和实时图像识别领域。第二部分，首先介绍系统的整体架构，简要的说明本文用到的相关技术。NiosCPU结构、Avalon总线规范，基于Nios Ⅱ的多处理器的设计方法。第三部分，首先介绍了系统的硬件设计与实现，主要包括FPGA处理器端视频输入输出模块、DSP存储器模块、DSP与FPGA接口模块、系统电源模块、系统电压检测模块。然后介绍了嵌入式Linux的一些特点，叙述了Linux下驱动的编写，最后介绍系统的DMA通信和GPIO通信驱动的实现。第四部分，结合本系统的特点简单介绍了此平台在超声图像处理和视频监控领域的应用。最后，总结了本课题研究取得的成果及其不足之处，并提出了新的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 数字图像处理
• 1.3 嵌入式系统
• 1.4 以 DSP 器件为核心的嵌入式系统技术
• 1.5 国内外研究示例
• 1.6 课题研究的意义、目的及其内容
• 第2章 系统构架和相关技术介绍
• 2.1 系统整体构架概述
• 2.1.1 系统结构
• 2.2 Nios CPU 结构
• 2.2.1 Nios ⅡCPU 内核简介
• 2.2.2 Nios ⅡCPU 架构简介
• 2.2.3 经典的 Nios Ⅱ 系统
• 2.3 Avalon 总线概述
• 2.3.1 Avalon 总线基本特点
• 2.3.2 Avalon 总线传输
• 2.4 基于 Nios Ⅱ 的多处理器设计
• 2.4.1 基于 Nios Il 多处理器系统硬件设计
• 2.4.2 基于 Nios ll 多处理器系统软件设计
• 2.4.3 基于 Nios ll 多处理器系统的资源共享
• 第3章 系统硬件设计与实现
• 3.1 引言
• 3.2 ARM 主控制模块的设计
• 3.2.1 S3C6410 主器件简介
• 3.2.2 S3C6410 核心板简介
• 3.2.3 Mini6410 核心板与 FPGA 连接设计
• 3.3 FPGA 系统设计
• 3.3.1 Nios Ⅱ 多核处理系统设计
• 3.3.2 视频采集/输出设计
• 3.3.3 多 DSP 间数据传输的算法调度设计
• 3.3.4 基于 Nios Ⅱ 实现多 DSP 间数据传输方法及其实现
• 3.4 DSP 图像处理模块设计
• 3.4.1 FLASH 硬件接口设计
• 3.4.2 SDRAM 硬件接口设计
• 3.5 系统的 JTAG 设计
• 3.6 电源模块设计
• 第4章 嵌入式系统驱动设计
• 4.1 引言
• 4.2 嵌入式 Linux 操作系统简介
• 4.3 Linux 系统下设备驱动简介
• 4.4 主控模块硬件驱动程序设计
• 4.4.1 ARM 与 FPGA 通信接口驱动设计
• 4.4.2 ARM 与 FPGA 通信接口驱动设计
• 第5章 系统应用
• 5.1 超声医学图像应用介绍
• 5.1.1 应用引言
• 5.1.2 胎儿性别信息屏蔽系统应用
• 5.1.3 早孕囊检测系统应用
• 5.1.4 应用总结
• 5.2 视频智能监控应用介绍
• 5.2.1 引言
• 5.2.2 运动物体检测与跟踪
• 5.2.3 案例二应用总结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢
• 附录