IS215UCVEM09B

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Cadence公司成就电子设计技术创新，并在创建当今集成电路和电子产品中发挥核心作用。我们的客户采用Cadence的软件、硬件、IP、设计服务，设计和验证用于消费电子、网络和通讯设备以及计算机系统中的半导体器件。公司总部位于美国加州圣荷塞市，在各地均设有销售办事处、设计中心和研究机构，以服务于电子产业。在工业生产自动化系统中，通过计算机视觉和图像处理技术来实现产品的质量监测和控制，已逐渐成为一种有效的应用技术。线阵CCD 图像传感器广泛地应用于产品尺寸测量和分类、非接触尺寸测量、条形码、形态识别等众多领域。在图像检测系统中，应具备一个高速的子图像提取和输出模块，本文采用FPGA 器件EP3C25F256C8 和CCD 线阵图像传感器RL1024P，实现线阵CCD 图像检测系统中的子图像提取和输出功能。

　　1 子图像提取模块的设计

　　子图像提取模块的功能可描述为：采用FPGA 器件实现，根据串行输入的黑白图像和同步信号，提取该图像中设定尺寸大小的子图像。假设输入图像大小为i * j，某一像素点的坐标位置为（X，Y），要取出子图像的大小为m * n，则用c 代码描述为：for（b=0;b《j ; b++）{for （a=0;a《i; a++）{ // 取出Xa，Yb 到 Xa+m，Yb+n 的子图像；} }

　　根据系统设计的要求，线阵CCD 图像采集模块采用串行的方式输出1×1024 像素的一行图像，子图像提取模块接收该图像数据、缓冲、再输出16×16 像素的子图像。子图像提取模块的外部端口，如图1 所示。主要信号有：像素同步时钟信号CCD_CLK、像素数据CCD_DATA、当前输入像素的坐标CCD_ADDR［90］ ;另外，N_RST 和SYS_CLK 为系统提供的复位信号和处理时钟信号。其中，每个CCD_CLK 的上升沿出现时CCD_DATA 像素有效，且该像素所在的位置为CCD_ADDR［90］ 值。

　　子图像提取模块的设计

　　为了实现每个CCD_CLK 周期内均输出一个子图像，SYS_CLK应该为CCD_CLK 的10 倍左右。

　　本文采用“图像转置缓冲区”的方法来实现子图像提取模块。“图像转置缓冲区”是一个按行写入（更新）、按列读出的一个RAM 缓冲区。在FPGA 内部设置一个1024 个单元的RAM 缓冲区，每个单元的位宽为16bits.线阵CCD 采集模块输出的线阵图像与子图像的关系，如图2 所示。其中，第0 行表示图像的当前行，第N 行为历史行，每行有1024 个像素，按照p0 至p1023 的像素顺序输出。假设当前CCD_CLK 输入的像素为第0行的p16 像素，则其对应的16X16 子图像为图中的阴影部分。

　　线阵图像与子图像的关系  “图像转置缓冲区”RAM 块存储图像的结构

　　“图像转置缓冲区”RAM 块存储图像的结构，如图3 所示。

　　RAM 块共有1024 个单元，每个单元为16 位的宽度，可存放近的16 行图像数据。对比图2 和图3，可以发现，RAM 块的地址编号相当于线阵CCD 图像的某一行像素的位置，某个RAM单元的位D15 ~ D0 对应某一列的近16 个像素，相当于对线阵图像转置后再存放到RAM 块中。对RAM 缓冲区进行写操作时，由于线阵CCD 图像的数据是按行逐位输入的，每个CCD_CLK 时钟上升沿出现时，仅需更新RAM 缓冲区中当前像素对应的比特，因此在逻辑上是根据图像按行写入RAM 区的。在FPGA器件中，可设计一个状态机来实现“图像转置缓冲区”的读写操作，如图4 所示。

　　图像转置RAM读写状态

　　子图像提取模块输出的子图像有256 个像素，在FPGA 内部通过寄存器暂存上一个输出的子图像；当更新RAM 区的某个像素时，把16X16 的滑动窗口向右移动一列像素的位置，把滑动窗口内的数据作为输出，就可以得到新的子图像。

　　2 设计仿真

　　在本文的设计仿真中，由于用到图像文件的解析和图像显示，因此借助MATLAB 和Modelsim 软件，通过文件读写的方式实现的联合仿真，可使仿真处理更加便捷和直观。其中，MATLAB 用来把图像文件转换为输入的像素，以及显示输出的子图像；Modelsim 用来仿真和验证FPGA 设计是否正确。

　　本文使用MATLAB 和Modelsim 进行联合仿真，主要有以下三个步骤。第一步，在MATLAB 中编写m 文件，读取bmp 位图文件并把像素数据写入文件datain.txt 中，作为ModelSim仿真的输入激励信号。第二步，在ModelSim 中，用VHDL 编写Testbench 测试文件，读取datain.txt 文件，产生与CCD_CLK 同步的像素信号；编写DO 文件进行自动化仿真，再把仿真输出的子图像数据保存在dataout.txt 文件中。第三步，在MATLAB 中编写m 文件，解析dataout.txt 文件，依次显示为16×16 的黑白图片序列，确定仿真结果是否正确。本设计仿真输入的图像及输出的子图像序列，如图5 所示。从仿真结果可知，设计方法是正确的，仿真结果符合设计功能的要求。

　　仿真输入的图像及输出的子图像序列由于数字混频后I和Q分别含4个支路，为实现滤波算法的并行处理，需要对各自的滤波器系数进一步做四相分解，以得到各支路系数。这样实际上对系数完成了八相分解，因此滤波器系数的个数N应该为8的倍数。系数八相分解后，4个I支路的滤波器系数分别为2 8m h + 、4 8m h + 、6 8m h + 和8 8m h + ，4个Q支路的滤波器系数分别为1 8m h + 、3 8m h + 、5 8m h + 和7 8m h + ，其中m = 0，1，…， N / 8 ？1.

　　系数分解完成后，根据各支路多相滤波结构，在SysGen中采用FIR Compiler IP核实现算法设计。考虑到FPGA中除了实现超宽带数字下变频算法外，还包含接口与通讯、高速数据打包传输等功能，节省数字下变频算法在FPGA中的资源占用，两种信号带宽的滤波器采用系数重加载方式实现，其加载时序如图4所示。

　　FIR Compiler系统加载时序

　　以I路的一个支路为例，SysGen中实现多相滤波的算法结构如图5所示，4路滤波输出求和过程同时实现了数字混频算法的加减运算。其余I支路以及Q路各支路滤波设计与此类似，仅延时有所不同，此处不再赘述。

　　并行多相滤波算法实现

　　经多相滤波处理后，I/Q分别得到并行4路、速率为200MHz的基带信号，将各自支路信号按顺序组合，即获得等效速率为800MHz的I/Q数据，也就实现了对600MHz带宽信号的数字下变频设计。

　　3.4 数据抽取

　　由于数字混频和多相滤波后的信号已完成了2倍抽取，要实现4倍抽取只需在此基础上再进行2倍抽取即可。考虑到后续数据处理的一致性，4倍抽取后的I/Q信号仍需要包含4个支路，选取各自多相滤波后的第1、3支路分别进行2倍抽取，SysGen算法实现如图6示。抽取后得到并行4路、速率为100MHz的基带I/Q信号，将各自支路信号按顺序组合即实现对350MHz带宽信号的数字下变频。

　　数据抽取算法实现

　　4.仿真应用

　　以350MHz带宽的线性调频信号为例，数字中频信号和数字下变频仿真结果如图7示。从图中看出，以并行多相滤波结构为基础的算法实现了数字中频信号的基带变换，且数字下变频后信号带内平坦度较好，满足工程应用需求。

　　数字下变频仿真结果

　　限于本文中的采样率和并行处理结构，FPGA的运行时钟仅为200MHz，这对的FPGA来说并不算困难。而对于更高速率的中频采样系统，只要FPGA的处理速度可以接受，那么仍然可以采用本文的算法结构实现。通过FPGA的多重配置可以有效地精简控制结构的设计，同时可以用逻辑资源较少的FPGA器件实现需要很大资源才能实现的程序。以Virtex5系列开发板和配置存储器SPI FLASH为基础，从硬件电路和软件设计两个方面对多重配置进行分析，给出了多重配置实现的具体步骤，对实现复杂硬件设计工程有的参考价值。

关键词：SPI FlashFPGA

　　现代硬件设计规模逐渐增大，单个程序功能越来越复杂，当把多个功能复杂的程序集成到一个FPGA上实现时，由于各个程序的数据通路及所占用的资源可能冲突，使得FPGA控制模块的结构臃肿，影响了整个系统工作效率。

　　通过FPGA的多重配置可以有效地精简控制结构的设计，同时可以用逻辑资源较少的FPGA器件实现需要很大资源才能实现的程序。以Virtex5系列开发板和配置存储器SPI FLASH为基础，从硬件电路和软件设计两个方面对多重配置进行分析，给出了多重配置实现的具体步骤，对实现复杂硬件设计工程有的参考价值。

　　0引言

　　现代硬件程序设计规模越来越大，功能越来越复杂，当多个应用程序同时在一个硬件平台上实现时，各个程序的资源使用和数据通路可能会冲突，这增加了控制电路设计的复杂程度，给开发人员增加了工作量和开发难度。通过多重配置，可以将多个应用程序根据需要分时加载到FPGA中，不仅精简了电路设计，而且使系统更加灵活。FPGA多重配置的特点可以让特定条件下的用户选择片上资源不多的FPGA去实现需要很多资源FPGA才能实现的功能，这大大降低了开发费用，同时提高了FPGA的利用率。

　　Xilinx公司Virtex5系列的FPGA具有多重配置的特性，允许用户在不掉电重启的情况下，根据不同时刻的需求，可以从FLASH中贮存的多个比特文件选择加载其中的一个，实现系统功能的变换。

　　1总体设计

　　当FPGA完成上电自动加载初始化的比特流后，可以通过触发FPGA内部的多重启动事件使得FPGA从外部配置存储器（SPI FLASH）指定的地址自动下载一个新的比特流来重新配置。FPGA的多重配置可以通过多种方式来实现。本文采用的是基于ICAP核的状态机编码方式。通过调用Xilinx自带的ICAP核，编写状态机按照的指令流程对ICAP核进行不断的配置，可以控制FPGA重新配置。这种方式可以在源代码中加很多注释，让后来的开发者很清楚地明白ICAP核指令流顺序，以及多重配置地址计算方法，是一种简单实用的实现方法。

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RS3 01984-1494-0005 MULTI LOOP PROCESSOR

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RS3 01984-3505-0001 POWER REGULATOR II 5 VOLT ONLY

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