基于NoC的图像采集系统设计

摘  要：  关键词： 片上网络；资源节点；通信
   　NoC（Network on Chip）的核心思想[1]是将计算机网络技术移植到集成电路设计中，从体系结构上彻底解决片上通信的瓶颈问题及时钟问题。它充分借鉴了分布式计算机系统的通信方式，用路由和分组交换技术替代传统的总线通信方式。结构化的网络连线[1]可以更好地控制连线的电气参数，提供更高的带宽，支持多重的并行通信等。此外，NoC还具备数据处理量大、多任务并行计算、架构易扩展及灵活性强等特点。
本设计是在NoC系统上实现实时图像采集、压缩、解压缩、存储和VGA显示等功能，利用FPGA的内部资源设计灵活的逻辑控制，完成高速大容量数据采集的存储和传输。本文提出的设计方案可以在选用成本低、操作简单的静态RAM的情况下， 实现实时大容量数据存储需求。在EDA（Electronic Design Automation）软件中进行了仿真验证，并在DE2开发板上实现高速实时图像采集和处理。
1 系统总体方案设计
　NoC系统借鉴并移植计算机网络通信中的概念和方法[1]，用于多个核或IP（Intellectual Property core）的集成。图1是NoC的示意图。
   
   　NoC系统由交换节点（Switch）、资源节点（Resource）和资源网络接口（Resource-Network Interface）3个基本部分组成[1]。交换节点负责资源节点之间的信息交换，资源节点可以是处理器、存储器、可编程逻辑器件、输入输出设备等。交换节点通过互连线按照拓扑结构组成网络的物理架构，资源节点则通过RNI与交换节点相连。狭义的NoC指的就是仅由交换节点构成的网络。
本设计在NoC网络上实现实时图像采集系统，在FPGA上利用2个NIOS Ⅱ核实现NoC系统上的2个资源节点，实现图像采集的基本功能。其中，1个NIOS Ⅱ实现采集压缩功能，1个NIOS Ⅱ核实现解压显示功能。系统由摄像头、NIOS Ⅱ 1、资源节点1、路由节点1、路由节点2、资源节点2、NIOS Ⅱ 2、SDRAM乒乓存储器和VGA显示等模块组成。系统的工作流程如图2所示。
   
   　图像采集系统工作流程是：先对OV9650的寄存器进行配置，然后从摄像头模块中接收YUV422格式的数据，由NIOS Ⅱ 1对接收的数据进行JPEG压缩，压缩的数据发送到资源节点1，再发送到路由节点1上，由路由器把数据发送到目的路由节点2上，再经资源节2发送到NIOS Ⅱ 2中，由NIOS Ⅱ 2进行JPEG解压缩，进行VGA显示，VGA显示的缓存采用SDRAM乒乓缓存。  
2 图像采集系统的模块设计
2.1 摄像头控制模块
　摄像头控制模块的功能是采集图像数据。OV9650摄像头包括CMOS摄像头和图像处理芯片OV9650。用Verilog HDL硬件描述语言编写SCCB总线控制器，OV9650是通过SCCB总线（SCCB总线的示意图如图3所示，SCL是时钟信号线，SDA是数据线）对其寄存器进行配置的。时钟频率设置为24 MHz，按照其时序完成对OV9650摄像头的初始化配置工作。配置OV9650摄像头的工作模式为VGA 640×480视频格式，以YUV4：2：2数据流输出，视频速率为15 f/s。采集到的YUV4：2：2格式的数据送到JPEG编码器中进行编码，把编码的数据进行打包，发送到缓冲器中，等待路由节点的信号，通过路由器发送到目的资源节点。
   
   2.2 NIOS Ⅱ 1模块
　NIOS Ⅱ 1模块由SoPC构建硬件框架[2]，再在NIOS Ⅱ IDE中进行软件程序编写。NIOS Ⅱ 1的功能是接收摄像头的数据，对图像数据进行JPEG压缩。
　JPEG编码算法可以用失真的压缩方式来处理图像，但失真的程度却是肉眼所无法辩认的，这也就是为什么JPEG会有如此满意的压缩比例的原因。它的压缩一般过程是：首先使用正向离散余弦变换FDCT（Forward Discrete Cosine Transform）把空间域表示的图像变换成频率域表示的图像，然后使用加权函数（此加权函数对于人的视觉系统是最佳的）对DCT系数进行量化，最后对量化系数进行编码。JPEG编码器流程图如图4所示。
   
   2.3 通信节点发送模块
　通信节点发送模块有两个作用，一是把4个8 bit数组成32 bit数输出，二是对要发送的数据进行组包。组包协议是：第一包仅包含要发送的包数、发送包的类型、数据发送的资源节点的地址和要接收数据的资源节点的地址、校验位；后面的包包含此包的包号、包的长度、要发送的数据、校验位。资源节点1的模块图如图5所示。